S型河道對(duì)溢流壩挑流水力特性影響研究

陳 龍

(塔里木河流域和田管理局，新疆 和田 848000)

1 研究背景

S型河道是一種復(fù)雜的河道形式，由于S型河道影響上游水流，因此建在S型河道的溢流壩的下游水流特性也會(huì)發(fā)生不同的變化。目前，已有學(xué)者對(duì)彎道水流進(jìn)行大量的研究。如嚴(yán)培[1]等通過MIKE軟件模擬單曲彎道和3種新型彎道水流，得到彎道水流沖刷的基本規(guī)律；白玉川[2]等通過對(duì)常曲率U型彎道水流沖刷進(jìn)行試驗(yàn)，得到U型彎道水流結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律；周勤[3]對(duì)小南海S型溢洪道進(jìn)行研究，得到了在強(qiáng)慣性離心力的影響下的水力特性分布情況。

以上都是針對(duì)具體彎道形式對(duì)大壩運(yùn)行期水流產(chǎn)生不同的影響進(jìn)行研究，而以S型河道為例對(duì)溢流壩挑流水力特性影響研究還很少。因此，本文以某S型河道為例，建立數(shù)學(xué)模型研究其相關(guān)水力特性，以期得出相關(guān)規(guī)律，為類似工程建設(shè)提供理論參考。

2 數(shù)學(xué)模型

本文模擬水流運(yùn)動(dòng)采用Flow-3d計(jì)算軟件中的RNGk-ε模型，因?yàn)槠湓谀M自由表面上具有較好的時(shí)時(shí)追蹤性[4]。把整個(gè)模型的域分成若干個(gè)單元網(wǎng)格，F(xiàn)=0代表其中單元網(wǎng)格沒有流體；F=0～1代表其中單元網(wǎng)格有部分的流體；F=1代表其中單元網(wǎng)格全部充滿流態(tài)[5]。網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格形式進(jìn)行描述，平均網(wǎng)格單元為0.5 m，網(wǎng)格數(shù)量約為200×104。具體的模擬計(jì)算方程如下：

2.1 控制方程

gi+fi

2.2 參數(shù)設(shè)置

邊界條件：彎道上游設(shè)置流量邊界且給定初始水位，溢流壩下游設(shè)置壓力邊界，模型正上方設(shè)置大氣壓力邊界，模型底部采用固體邊界。

初始條件：彎道溢流壩上游給定初始水位80 m，溢流壩下游河道給定初始水位50 m，給定初始流量Q=800 m3/s。

2.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建數(shù)學(xué)模型的有效性和準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，具體見表1。

表1是Q=800 m3/s時(shí)彎道溢流壩挑流堰頂流速。溢流壩堰頂實(shí)測(cè)平均流速和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，誤差范圍在2.76%～2.88%之間，兩者相對(duì)誤差較小，模型建立較準(zhǔn)確可靠。

表1 溢流壩堰頂流速

3 U型彎道水流數(shù)值模擬

該模型是建在S型彎道處的溢流壩，為研究在S型彎道處的水流對(duì)溢流壩挑流產(chǎn)生的影響，通過FLOW-3d軟件全真模擬溢流壩的挑流過程。通過軟件分析溢流壩上游正前方水流流速、挑流水舌、下游河道壓強(qiáng)變換情況，得到S型河道對(duì)溢流壩挑流水力特性影響的基本規(guī)律，具體建模見圖1。

圖1 S型彎道處溢流壩模型

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 溢流壩壩體前端流速

由于水流在彎道處的橫縱比的影響，S型彎道水流在溢流壩壩體前端的流速也會(huì)發(fā)生不同的變化。為了更好研究由于S型彎道對(duì)溢流壩壩體前端水流流速的影響，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到流速圖，具體見圖2。

圖2 溢流壩正前端平均流速

由圖2可知，由于水流受慣性離心力的影響，溢流壩前端中部流速最大，右岸比左岸的流速大。

4.2 挑流水舌

由于水流的慣性離心力的影響，導(dǎo)致水流在溢流壩泄洪挑流水舌挑據(jù)發(fā)生變化。為研究這種變化特點(diǎn)，本文進(jìn)一步研究了水舌特征，具體見表2。

根據(jù)表2可知，中部水流較集中，能量較大，挑距離最遠(yuǎn)為27 m，因此由于S型彎道的影響右岸相對(duì)比左岸挑距遠(yuǎn)。

表2 挑射水流水舌特征

4.3 下游河道壓強(qiáng)

對(duì)于水庫(kù)溢流壩泄流，挑流水舌對(duì)下游河道沖刷受S彎道水流的影響。為觀察河道斷面的壓強(qiáng)分布情況，通過Flow-3d模擬后采用tecplot軟件進(jìn)行切片處理[7]，具體見圖3。

圖3 下游河道壓強(qiáng)分布

根據(jù)圖3可知，下游河道壓強(qiáng)最大值為65 kPa，分布在近右岸到中部之間，相對(duì)右岸壓強(qiáng)值較左岸大。

5 結(jié) 論

本文通過Flow-3d軟件對(duì)S型河道水流對(duì)溢流壩挑流的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

1) 受S型河道水流慣性離心力的影響，溢流壩前端中部流速最大，右岸比左岸的流速大；中部水流較集中，能量較大，挑距離最遠(yuǎn)，而右岸相對(duì)比左岸挑距遠(yuǎn)；下游河道壓強(qiáng)最大值為65 kPa，分布在近右岸到中部之間，相對(duì)右岸壓強(qiáng)值較左岸大。

2) 應(yīng)盡量避免在S型河道處修建大壩，如因受地形及資源限制，則必須對(duì)S型彎道處的溢流壩進(jìn)行改善水流處理，以保證水流穩(wěn)定性和大壩安全性。