多孔溢流壩水閘組合調(diào)度運(yùn)行方式數(shù)值模擬研究

丁 磊

(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

1 研究背景

在水利工程中，大壩的調(diào)度運(yùn)行需要由閘門(mén)進(jìn)行控制，合理的調(diào)度方式對(duì)大壩的泄流及防止洪澇災(zāi)害起著至關(guān)重要的作用。隨著工程運(yùn)行特點(diǎn)及要求的不同，其閘門(mén)運(yùn)行調(diào)度的方式也不盡相同。為了更好調(diào)節(jié)水庫(kù)上游水位進(jìn)行防洪消能，同時(shí)保證大壩安全運(yùn)行，對(duì)壩體閘門(mén)調(diào)度運(yùn)行研究顯得極為重要。

目前，許多學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)、數(shù)值模擬對(duì)閘門(mén)調(diào)度運(yùn)行進(jìn)行了研究。如車(chē)清權(quán)[1]等通過(guò)對(duì)三峽水利樞紐泄洪調(diào)度進(jìn)行水力學(xué)試驗(yàn)研究，得到各孔按均勻、間隔、對(duì)稱(chēng)的原則開(kāi)啟閘門(mén)及對(duì)深孔和表孔泄洪調(diào)度優(yōu)化方案。張海光[2]等以華安水電站為例，通過(guò)建立物理模型研究多閘孔泄洪的水力特性，得到華安水電站啟閉泄洪優(yōu)化方案。關(guān)大瑋[3]等采用Flow-3d模擬高壩閘孔泄流的三維流場(chǎng)，將數(shù)值模擬值與物理模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明壩面水深、流速以及摻氣濃度都比較接近，模擬效果較好。李占松[4]通過(guò)對(duì)南水北調(diào)中線(xiàn)工程節(jié)制閘啟閉時(shí)相應(yīng)的控制運(yùn)行方式進(jìn)行研究，得出了合理的調(diào)度運(yùn)行方案。權(quán)新芳[5]通過(guò)對(duì)寶雞市攔河閘平板鋼閘門(mén)的運(yùn)行實(shí)踐進(jìn)行研究，提出科學(xué)的調(diào)度運(yùn)行方案。以上學(xué)者均從不同角度對(duì)大壩閘門(mén)調(diào)度運(yùn)行進(jìn)行研究，但對(duì)溢流壩閘門(mén)組合開(kāi)啟方式的調(diào)度運(yùn)行研究還是很少。因此，本文針對(duì)多孔溢流壩水閘組合調(diào)度運(yùn)行方式進(jìn)行研究，以期為類(lèi)似工程運(yùn)行管理提供理論基礎(chǔ)。

2 數(shù)學(xué)模型

本文以Flow-3d計(jì)算軟件中的RNGk-ε模型來(lái)模擬水流運(yùn)動(dòng)，而VOF法在模擬自由表面上具有較好的追蹤性[6]。對(duì)于整個(gè)模型的域中某個(gè)單元網(wǎng)格，F(xiàn)=0代表單元網(wǎng)格無(wú)流體；F=0～1代表單元網(wǎng)格流體部分充滿(mǎn)；F=1代表單元網(wǎng)格流體全充滿(mǎn)[7]。網(wǎng)格劃分采用矩形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，平均網(wǎng)格單元為1 m，網(wǎng)格數(shù)量約為150萬(wàn)。具體連續(xù)方程、動(dòng)量方程、紊動(dòng)能K及ε方程如下：

2.1 控制方程

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

紊動(dòng)能k方程：

Gk-ρε

紊動(dòng)能ε方程：

2.2 參數(shù)設(shè)置

邊界條件：上游進(jìn)水口設(shè)置流量邊界，下游出口設(shè)置自由出流邊界，模型正上方設(shè)置大氣壓力邊界，模型底部所在面采用固體邊界。

初始條件：溢流壩上游設(shè)置初始水位60 m，下游河道設(shè)置初始水位30 m，給定初始流量Q=600 m3/s。

2.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性和準(zhǔn)確性，根據(jù)模型的實(shí)際參數(shù)，設(shè)定Q=600 m3/s三孔閘門(mén)全開(kāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，具體見(jiàn)表1、圖1。

表1 閘孔流速

圖1 挑流水面線(xiàn)

表1是Q=600 m3/s時(shí)開(kāi)啟三孔閘門(mén)開(kāi)情況下，溢流壩閘孔實(shí)測(cè)平均流速和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，兩者誤差較小。圖1是Q=600 m3/s時(shí)開(kāi)啟三孔閘門(mén)開(kāi)情況下，溢流壩閘孔挑流水面線(xiàn)，在A、B、C 3個(gè)斷面處的水面線(xiàn)基本相似。

3 閘門(mén)組合開(kāi)啟數(shù)值模擬

模型是三孔對(duì)稱(chēng)閘門(mén)溢流壩，根據(jù)閘門(mén)組合開(kāi)啟方式，可分為開(kāi)啟1孔即開(kāi)啟1號(hào)孔或2號(hào)孔、連續(xù)均勻開(kāi)啟2孔即開(kāi)啟1#2#孔(由于閘孔是對(duì)稱(chēng)性，將開(kāi)啟1#2#號(hào)工況等同于開(kāi)啟2#3#號(hào)工況)、連續(xù)均勻開(kāi)啟3孔即開(kāi)啟1#2#3#孔，一共4種組合開(kāi)啟方式。根據(jù)預(yù)設(shè)定的流量，在上游水位60 m、下游水位30 m情況下，溢流壩的閘孔從右岸到左岸依次編號(hào)為1#、2#、3#，具體見(jiàn)圖2。

圖2 溢流壩閘孔編號(hào)

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 流 態(tài)

在同一流量下，不同的閘門(mén)組合開(kāi)啟會(huì)使壩面及水舌水流的形態(tài)發(fā)生變化。為了更好研究由于閘門(mén)組合開(kāi)啟方式不同對(duì)水流形態(tài)的影響，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到如下流態(tài)圖，具體見(jiàn)圖3。

圖3 池流流態(tài)

由圖3可知，開(kāi)啟1#閘孔，水流有邊墻的束縛在壩面擴(kuò)散程度較小，水舌入水厚度較厚且較遠(yuǎn)，主要集中在右岸側(cè)；開(kāi)啟2#閘孔，水流沒(méi)有邊墻的束縛在壩面擴(kuò)散程度較大，水舌入水厚度較薄且較近，主要集中在左右岸中間；同時(shí)開(kāi)啟2孔，即開(kāi)啟1#2#閘孔水流受單一邊墻和自身水流影響，在壩面交匯擴(kuò)散程度較大，水舌入水厚度薄且近，主要集中在近右岸側(cè)；同時(shí)開(kāi)啟3孔，即開(kāi)啟1#2#3#閘孔水流受雙面邊墻和自身水流的影響，在壩面交匯擴(kuò)散程度最大，水舌入水厚度很薄且很近。

4.2 壩面壓強(qiáng)

溢流壩在不同的閘門(mén)組合開(kāi)啟方式下，壩面的時(shí)均壓強(qiáng)都會(huì)不同。為了更好比較4種閘門(mén)組合開(kāi)啟方式的效果，本文進(jìn)一步研究壩面壓強(qiáng)，具體見(jiàn)圖4。

根據(jù)圖4可知，對(duì)于同等流量下4種組合開(kāi)啟閘門(mén)方式，沿水流方向壩面壓強(qiáng)均呈先減小后增大再減小穩(wěn)定的趨勢(shì)，其中最大壓強(qiáng)在壩頂處均為30 kPa，最小壓強(qiáng)在壩頂和反弧段之間的斜面處。而開(kāi)啟1#閘孔、開(kāi)啟2#孔、同時(shí)開(kāi)啟1#2#閘孔壩面最小壓強(qiáng)均為0 kPa；同時(shí)開(kāi)啟3孔壩面存在負(fù)壓，最小為-0.5 kPa。

圖4 溢流壩壩面時(shí)均壓強(qiáng)

4.3 消能率

對(duì)于水庫(kù)溢流壩泄流，不同的閘門(mén)組合開(kāi)啟方式會(huì)有不同的挑流效果，影響挑流消能率。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果以及消能率公式：

式中：E1、E2為上下游總能量；H1、H2為上下游計(jì)算斷面的水深；ν1、ν2為上下游計(jì)算斷面的平均流速；α1、α2為上下游進(jìn)出口斷面流速修正系數(shù)，由于進(jìn)出口斷面流速相對(duì)較穩(wěn)定取1，具體見(jiàn)表2。

表2 不同開(kāi)啟方式下水力特征

根據(jù)表2可知，對(duì)于同等流量下4種組合開(kāi)啟閘門(mén)方式,消能率在32.07%～37.78%之間，同時(shí)開(kāi)啟1#2#閘孔的挑流消能率最大為37.78%。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)這4種閘門(mén)組合開(kāi)啟方式進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

1) 4種開(kāi)啟方式下，開(kāi)啟1#2#閘孔相對(duì)擴(kuò)散水流在壩面程度不大、較穩(wěn)定，消能率最大為37.78%。

2) 壩面壓強(qiáng)均沿水流方向呈先減小后增大再減小穩(wěn)定的趨勢(shì)，其中最大壓強(qiáng)在壩頂處均為30 kPa，最小壓強(qiáng)在壩頂和反弧段之間的斜面處。開(kāi)啟1#閘孔、開(kāi)啟2#閘孔、同時(shí)開(kāi)啟1#2#閘孔壩面最小壓強(qiáng)均為0 kPa；而開(kāi)啟3孔壩面存在負(fù)壓為-0.5 kPa，對(duì)壩面穩(wěn)定不利。

3) 綜合分析流態(tài)、壩面壓強(qiáng)、下游河道最大流速及消能率得出，選擇同時(shí)開(kāi)啟1#2#閘孔進(jìn)行閘門(mén)調(diào)度運(yùn)行較優(yōu)。