邕寧水利樞紐一期臨時土石圍堰數(shù)值模擬研究

趙彥準，江 維，農好瑾，賀昌海

(1.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室， 湖北 武漢 430072；2.廣西南寧水利電力設計院，廣西 南寧 530001)

在水利水電工程建設中，施工導截流工程是貫穿施工全過程的臨時性工程。施工導截流數(shù)值模擬早期借鑒了河道數(shù)值模擬的研究成果，經過20多年的發(fā)展，二維數(shù)值模擬逐漸成熟，并應用于三峽、向家壩等實際工程[1-7]。近10年以來，隨著紊流模型理論的完善和大型商業(yè)計算等軟件的發(fā)展，利用三維數(shù)值模擬方法分析水流的方法廣泛使用[8-11]，施工導截流等實際工程也不例外。例如，李揚等[12]用三維數(shù)值模擬方法，計算了施工導流期間河道水流流場，為圍堰布置提供了解決方案。張亮等[13]基于三維數(shù)學模型，模擬了施工期導流洞涌水量，為施工及防滲排水的方案制定提供參考。賀昌海等[14]利用三維數(shù)值模擬和物理模型試驗對白鶴灘水電站分流擋渣堤體型進行了優(yōu)化。劉文等[15]考慮導流泄水建筑物的摻氣特性，對某實際工程導流整體流場進行了三維數(shù)值模擬，并與物理模型試驗成果進行了對比分析，得到了較合理的結果。本文以邕寧水利樞紐工程為研究對象，在物理模型的基礎上，利用三維數(shù)值模擬方法對其一期臨時土石圍堰的合龍位置、施工期通航等問題進行深入研究，具有重要的工程實際意義。

1 工程概況

邕寧水利樞紐工程位于南寧市邕江河段下游，青秀區(qū)仙葫開發(fā)區(qū)牛灣半島處，隸屬邕江干流。工程主要任務是改善城市環(huán)境、水景觀和航運，兼顧發(fā)電及其它。工程正常蓄水位67 m，總庫容7.1億m3，屬大型水庫，電站裝機容量57.6 MW(6×9.6 MW)，多年平均發(fā)電量2.206×108kW·h。

樞紐位于西津水電站庫區(qū)內，枯水季節(jié)水位降落不明顯，枯水期河床水位較深，一般水深達12 m～15 m，水面寬230 m～280 m。工程施工采用兩段叁期的導流方式，其中一期臨時土石圍堰由上下游橫堰、縱堰和裹頭組成(見圖1、圖2)，擋水時段11月15日—次年4月15日，設計擋水流量為枯水期10年一遇3 010 m3/s。臨時圍堰全長981.90 m，上游圍堰、縱向圍堰和下游圍堰的堰頂高程分別為66.40 m、66.40 m～66.20 m和66.20 m。堰頂寬7.0 m，預設2.2 m馬道。最大底寬79.2 m，迎、背水面邊坡均為1∶2。迎水面堰面拋石護坡，堰腳采用1 m厚鋼筋石籠護面，背水面堰面不做防護[12-15]。

邕江為常年通航河流，航道等級為Ⅱ級，樞紐船閘最大通航船舶噸位為2 000 t級船舶(隊)。施工期必須考慮通航問題，航運部門要求施工期臨時圍堰按Ⅲ級航道標準開通。

圖1 一期臨時土石圍堰布置方案

圖2 一期臨時土石圍堰橫斷面圖

2 三維建模

利用CATIA建立了1∶1的河道三維模型(見圖3)，在此基礎上分別建立了一期臨時圍堰靠上游合龍、中間合龍、靠下游合龍以及全合龍四種幾何模型。

圖3 河道三維模型

3 數(shù)值模擬

3.1 紊流控制方程

本工程河道蜿蜒曲折，兩岸階地發(fā)育，地形略有起伏，故采用RNGκ-ε模型。模型控制方程如下：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

紊動能κ方程：

(3)

紊動能耗散率方程：

(4)

3.2 方程求解

控制方程的離散采用交錯矩形網格的有限差分法，水流自由表面追蹤采用TruVOF方法，壓力速度分離式解法采用極小殘差算法GMRES算法。

計算范圍：上游0+1250 m至下游0-575 m。

計算網格：采用縱橫比1的均勻立方體結構化網格(笛卡爾網格)，總體包含3個網格塊(見圖4)，立方體網格單元邊長設為2 m，網格總數(shù)量約2 000萬個。

圖4 計算區(qū)域網格剖分

邊界條件：網格塊A的xmin邊界設置為流量邊界，結合上游水面高程和流量確定流速。網格塊C的ymin邊界設置為壓力邊界，并確定下游水面高程。A、B、C網格塊的zmin邊界均設置為無滑移壁面邊界，zmax為自由液面，設置為壓力邊界，壓強取0。其它邊界均保留對稱邊界的默認設置。

計算工況參見表1。

數(shù)值模擬結果處理：采用FLOW3D自帶的后處理模塊實現(xiàn)。

表1 數(shù)值模擬工況

4 計算結果分析

4.1 計算結果驗證

物理模型為長度比尺1∶70的正態(tài)模型。模型制作范圍：上游壩軸線以上約1 000 m，下游壩軸線以下約1 000 m，總長約2 000 m。模型范圍內能保證水流與上、下游平穩(wěn)銜接。模型河床地形按1∶1 000地形圖進行制作，模型上間隔0.5 m取一個控制斷面，局部地形變化較大處另加密控制。

針對工況1和工況4進行了模型試驗，試驗結果與計算結果對比如下。

(1) 束窄河床流態(tài)。工況1、工況4的模型試驗流態(tài)照片和數(shù)值模擬流態(tài)云圖如圖5、圖6所示。對比二者可知，束窄河床整體水流流態(tài)平順，無旋渦及回流現(xiàn)象，試驗流態(tài)和計算流態(tài)吻合良好。

(2) 束窄河床水面線。工況1和工況4束窄河床平均水面線參見圖7。樁號0+320、0+100、0+0.00、0-100、0-320表示臨時圍堰附近測點。

工況1中，數(shù)值模擬的誤差平均值為-0.11 m，誤差最大值為-0.15 m，均在合理范圍。圍堰上下游水位差很小，水面無明顯跌落。

工況4中，數(shù)值模擬的誤差平均值為-0.19 m，誤差最大值為-0.26 m，均在合理范圍。合龍之后，上下游水位差較小，水面無明顯跌落。

數(shù)值模擬結果略小于物理模型試驗，水面線趨勢吻合較好。

(3) 束窄河床流速分布。工況1和工況4束窄河床流速分布如圖8所示。其中，測點12-1、12-2、12-3、11-1、11-2、11-3…分別對應在長度比尺1∶70物理模型上從上游至下游間隔0.5 m劃分的第12、11…斷面上對應的第1、2、3…流速點。

圖5 試驗流態(tài)和計算流態(tài)對比(工況1)

圖6 試驗流態(tài)和計算流態(tài)對比(工況4)

圖7 物理模型試驗和數(shù)值模擬平均水面線對比

圖8 物理模型試驗和數(shù)值模擬流速結果對比

工況1中，流速最大誤差為0.19 m/s，平均誤差為0.10 m/s，相對誤差最大值為9.78%，相對誤差平均值4.85%，均在合理范圍內。最大誤差出現(xiàn)在臨時圍堰上游龍口處，受圍堰坡腳和龍口水流波動影響。物理模型試驗和數(shù)值模擬流速分布整體趨勢相似，最大流速分別為2.76 m/s和2.85 m/s，均出現(xiàn)在下游河道出口(-4斷面)靠近左岸位置。束窄河床內水流均十分平順。

工況4中，流速最大誤差為0.39 m/s，平均誤差為0.08 m/s，相對誤差最大值為24.53%，相對誤差平均值4.06%，均在合理范圍內。流速最大誤差出現(xiàn)在河道下游轉角靠近左岸處，受河床變寬及河道轉彎影響，該處水流流速跌落較為明顯。物理模型實驗和數(shù)值模擬流速分布整體趨勢相近，最大流速分別為2.76 m/s和2.87 m/s，均出現(xiàn)在下游河道出口(-4斷面)靠近左岸位置。束窄河床內水流平順。

分析證明，計算結果和物理模型實驗流速分布吻合良好。

4.2 合龍位置比較

為了進一步比較不同合龍位置的優(yōu)劣，對工況2、工況3進行了計算。

(1) 束窄河床流態(tài)。對比工況1、工況2、工況3模擬的流態(tài)云圖可見，束窄河床水流整體平順，均無回流及旋渦現(xiàn)象。束窄河床水流經過縱向圍堰外側時流速稍有增加，圍堰內部水流基本靜止。從流態(tài)方面來看，三者區(qū)別不大。

(2) 束窄河床水面線。工況1束窄河床水流上下游水位差0.06 m，水力坡降0.007%。工況2束窄河床水流上下游水位差0.16 m，水力坡降0.019%。工況3束窄河床水流上下游水位差0.24 m，水力坡降0.029%。

對比可知，臨時圍堰在工況1時平均水面線最低，水力坡降最小。說明工況1的水流過渡最平緩，跌落小，圍堰施工對束窄河床的干擾最少。從束窄河床水面線分析，一期臨時圍堰在中間合龍為最優(yōu)方案。

(3) 束窄河床流速分布。工況1平均流速 2.29 m/s，工況2平均流速2.59 m/s，工況3平均流速2.46 m/s。

對比可知，臨時圍堰在工況1時平均流速最小，束窄河床流態(tài)最平穩(wěn)。從流速分布分析，一期臨時圍堰在中間合龍為最優(yōu)方案。

(4) 圍堰龍口流速。工況1縱向圍堰龍口上游堰腳流速1.79 m/s，堰頂流速0.95 m/s。龍口下游堰腳流速1.77 m/s，堰頂流速1.78 m/s。工況2縱向圍堰龍口上游堰腳流速1.98 m/s，堰頂流速1.07 m/s。龍口下游堰腳流速1.80 m/s，堰頂流速1.93 m/s。工況3縱向圍堰龍口上游堰腳流速2.38 m/s，堰頂流速1.45 m/s。龍口下游堰腳流速2.74 m/s，堰頂流速1.79 m/s?？梢?，工況1的龍口流速最小，最有利于拋投合龍。

綜上所述，從束窄河床流態(tài)、水面線、流速分布及圍堰龍口流速四方面綜合分析，在相同過流量3 010 m3/s時，一期臨時圍堰選擇在中間合龍為最優(yōu)施工方案。

4.3 束窄河床通航能力

一期臨時圍堰合龍之后，對河床的束窄程度達到最大，水流流速增加。圍堰擋水期通航要求的滿足，主要取決于臨時圍堰合龍之后束窄河床的水力條件。

工況4、工況5、工況6、工況7分別模擬了在一期臨時圍堰全合龍之后不同流量下的工況。根據內河船舶通航能力和有關Ⅲ級航道標準規(guī)范，一期導流施工時1 000 t船隊通航允許的水流條件：最小航道尺度=航寬×水深×彎曲半徑=60 m×3.0 m×180 m(雙線)，正向流速≤3.0 m/s，回流流速≤0.4 m/s，橫向流速≤0.3 m/s。超過這個范圍則應該采取輔助措施助航或禁止通航。

由表2可知，工況4、工況5、工況6、工況7水深大于3.0 m的束窄河床水面寬均遠大于60 m，最大正向流速均小于3.0 m/s，水深均大于3.0 m。

表2 不同流量下通航指標比較

束窄河床水頭跌落小，整體水流平順，無回流和橫向水流。流速在圍堰礫石2.24 m/s～3.13 m/s抗沖范圍內，圍堰邊坡穩(wěn)定無沖刷。證明一期臨時圍堰束窄河床能夠滿足圍堰期通航要求。

5 結 語

本文針對邕寧水利樞紐一期臨時土石圍堰，用FLOW3D平臺進行了三維水流數(shù)值模擬，得到了多種工況的水流流態(tài)及水力參數(shù)，并結合物理模型試驗結果進行了分析。

(1) 比較了靠上游合龍、中間合龍和靠下游合龍三種方案，確定一期臨時土石圍堰最優(yōu)合龍位置為縱向圍堰中部。

(2) 針對不同來流量，論證了一期臨時土石圍堰在擋水期內(11月15日—次年4月15日)束窄河床滿足III級航道的通航要求。