某水電站泄洪底孔水力學特性的數(shù)值模擬研究

王永成，周 濤

（江西省水務(wù)集團有限公司，江西 南昌 330000）

1 引言

近幾年，由于洪水的影響而導(dǎo)致水工結(jié)構(gòu)建筑發(fā)生破壞越來越多[1]，泄洪建筑是水工建筑上游用來排泄多余洪水、保護其下游水利樞紐的重要結(jié)構(gòu)。泄洪建筑物[2，3]主要有溢洪道、溢流壩、泄水口等類型，針對不同的水文地質(zhì)條件與泄洪要求需要選擇合適的泄洪建筑形式，因此研究泄洪建筑在運行過程以及施工[4，5]過程中的水力學特性、分析當?shù)厮鳁l件對泄洪建筑的影響便成為研究重點之一，并且研究結(jié)果將對保護水利樞紐的水工結(jié)構(gòu)建筑有重要的意義。

本文建立泄洪底孔結(jié)構(gòu)模型并采用有限元軟件模擬其水力特性，將結(jié)果與實驗結(jié)果作對比以驗證模擬的可靠性，并研究不同工況下泄洪底孔水力特性的差別。

2 數(shù)值計算模型

如圖1所示，某水電站泄洪底孔的計算區(qū)域建立坐標系。X軸為水流方向，取上游35.000 m斷面到下游187.300 m斷面為計算區(qū)域；Y軸為水流斷面方向，取值為0～46 m；Z軸為水位高程，取值為1 230.0～1 294.0 m。上游計算域的左邊界為速度入口（水流項）及壓力入口（空氣項），其中速度為v=0.44 m/s，總壓強為標準大氣壓，上邊界為壓強入口。

圖1 計算模型

計算模型中的泄洪底孔主要有兩部分組成：有壓段和明渠段。利用有限元軟件對計算模型進行網(wǎng)格的劃分，其中有壓段如圖2所示，明渠段如圖3所示，明渠段的側(cè)墻部分為20 m。

圖2 有壓段網(wǎng)格劃分

圖3 明渠段網(wǎng)格劃分

分別設(shè)置設(shè)計工況（水位為1 282 m）與校核工況（水位為1 282.64 m），將兩個工況的計算結(jié)果分別與實驗結(jié)果相對比，可以使對泄洪底孔的水力學模擬結(jié)果更加可靠。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 水面線與水流流態(tài)

由于數(shù)值模擬得到的水面線是一個具有水-氣二相的界面，因此在結(jié)果分析中利用體積分數(shù)作為水面線的表現(xiàn)形式。從圖4中可以很容易看出，設(shè)計工況下（圖a）的水面線分布情況與校核工況下（圖b）的水面線基本相同，因此可以說明模型選用比較可靠，工況的設(shè)置也符合實際。

圖4 不同工況水面線

為進一步驗證有限元軟件在模擬結(jié)果的可靠性，將泄洪底孔在閘門全開狀態(tài)下經(jīng)過模擬得到的流量與實驗得到的流量列入表1進行對比。由表1可知，無論是設(shè)計工況還是校核工況，有限元軟件的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差很小。對于設(shè)計工況，模擬與實驗結(jié)果的誤差為1.64%，而校核工況下的誤差與設(shè)計工況相比更小，僅有1.61%。這個結(jié)果更加進一步證明了有限元軟件模擬的可靠性。

表1 泄洪底孔流量

3.2 沿程水位分布

圖5展示了明渠段設(shè)計工況以及校核工況下在y=23 m處不同斷面的實驗實測水位和模擬計算水位對比。圖中不難發(fā)現(xiàn)，設(shè)計工況圖5（a）中的實測水位與模擬所得水位相差不大，隨著斷面向X軸向不斷延伸，實測水位先由1 240 m逐漸減小，在85.600 m斷面出達到最小值，隨后水位逐漸增大但整個過程中的水位均小于設(shè)計洪水水位高度，計算所得水位同樣由1 240.1 m開始先逐漸減小，不同的是，在76.600 m斷面處達到最小值，隨后與實測水位變化規(guī)律相同逐漸增大，整個過程中的水位均小于設(shè)計洪水水位高度。

圖5 明渠段沿程水位

校核工況圖5（b）中的實測水位與計算所得水位也相差不大，隨著斷面向X軸正向的不斷延伸，實測水位由1 240 m逐漸減小，并在85.600 m斷面處達到最小值，隨后水位逐漸增大，計算所得水位由1 240 m為起始水位并逐漸減小，在與實測水位相同的斷面位置處達到最小值，隨后與實測水位變化規(guī)律相同逐漸增大。在模擬以及實驗過程中，水位均小于校核洪水水位高度，設(shè)計工況下實測水位與模擬水位的平均誤差為0.05 m，校核工況下的平均誤差為0.03 m，都在可接受范圍內(nèi)，因此說明模擬計算與實驗結(jié)果的整體擬合性較好，模擬得到的結(jié)果可以作為設(shè)計依據(jù)。

3.3 壓強水頭沿程分布

圖6展示了在y=23 m處整個縱剖面在范圍內(nèi)不同斷面處兩個工況下壓強水頭的實測值與計算值。

圖6 沿程壓強水頭

圖6（a）中可以得到，設(shè)計工況下壓強水頭沿縱剖面，在有壓段先逐漸減小，在明渠段內(nèi)達到最小后沿縱剖面逐漸增大，再一次達到頂峰后轉(zhuǎn)而逐漸減小，在縱剖面的邊緣處達到負值。從圖6（a）中可以發(fā)現(xiàn)，實測值和模擬值在有壓段擬合的比較好，曲線基本重合，但在明渠段，雖然實測值和模擬值的壓強水頭規(guī)律曲線走勢基本相同，但是每個斷面的模擬值均偏大，兩條曲線的擬合度不如有壓段的擬合度高，設(shè)計工況下實測值與模擬值誤差最大的斷面在x=95.6 m處，誤差達到16.6%。

從圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)，校核工況下沿縱剖面的壓強水頭曲線規(guī)律與設(shè)計工況相同，即先逐漸減小，在明渠段內(nèi)達到最小值后沿縱剖面逐漸增大，達到明渠段內(nèi)的壓強水頭最大值后逐漸減小，并且在縱剖面的邊緣處達到負值。從圖6（b）中可以發(fā)現(xiàn)，與設(shè)計工況相似，實測值和模擬值在有壓段的擬合度優(yōu)于明渠段的擬合度，不同的是，校核工況下實測值與模擬值誤差最大的斷面在x=73.6 m處，誤差達到18.9%。

明渠段發(fā)生上述實測值與模擬值誤差較大的主要原因，在實驗過程中對于壓強的測量只是定點測量，即只能測量泄洪底孔結(jié)構(gòu)某個點的壓強，而在數(shù)值模擬中得到的結(jié)果是某一個斷面的壓強平均值，因此必然會有一定的誤差。

3.4 流速的沿程分布

表2、表3給出了不同斷面處設(shè)計工況與校核工況下的實測流速與模擬流速以及兩者之間的誤差。從表2、表3中可以明顯發(fā)現(xiàn)，實測流速普遍小于模擬流速。設(shè)計工況下的流速誤差最大為-2.12%，發(fā)生在斷面3處；校核工況下流速的最大誤差為-2.4%，發(fā)生在斷面5的位置處。與壓強相同，產(chǎn)生流速誤差的最大原因是實驗過程中實測的流速為某一測點的流速，而模擬過程得到的流速是某一斷面的流速，總體上，流速之間的誤差在可接受范圍內(nèi)。

表2 設(shè)計工況流速

表3 校核工況流速

從圖7中可以得到，無論是設(shè)計工況還是校核工況，在明渠段內(nèi)，泄槽水流流速比較平穩(wěn)，明渠內(nèi)的近壁面處由于受到壁面的阻力影響使得流速很小，而遠離壁面的位置流速比較大，在挑流鼻坎最高處流速最大，這是由于挑流鼻坎的最高處為尖端，會產(chǎn)生流速的突然增大現(xiàn)象。

圖7 明渠段流速云圖

4 結(jié)論

本文利用有限元軟件對泄洪底孔進行了數(shù)值計算模擬，設(shè)置設(shè)計工況與校核工況，將兩個工況下的模擬結(jié)果與實驗所得到的實測結(jié)果進行對比，得到結(jié)論如下：

（1）模擬得到的設(shè)計工況與校核工況下的水面線分布基本一致，說明選取的計算模型并沒有偶然性，并且發(fā)現(xiàn)挑流鼻坎的設(shè)置有效的降低了下游處的水面線。

（2）明渠段內(nèi)無論是設(shè)計工況還是校核工況，實測水位高度與模擬水位基本吻合，兩條曲線擬合較好，在明渠段，水位基本呈現(xiàn)先緩慢減小然后逐漸增大的趨勢。

（3）有壓段和明渠段內(nèi)的兩個工況的壓強水頭曲線的發(fā)展趨勢相同，兩個工況下有壓段內(nèi)的實測壓強與模擬壓強曲線擬合比明渠段內(nèi)的兩條曲線擬合度高。有壓段入口處的壓強最大，而出口處的壓強比較小，對于明渠段，在反弧區(qū)的壓強有所增大，在挑流鼻坎頂端壓強出現(xiàn)負值，這是由于水流在此處脫離了坎頂并形成了空腔。

（4）在明渠段內(nèi)，泄槽水流流速比較平穩(wěn)，明渠內(nèi)靠近壁面處的水流流速較小，而遠離壁面的水流流速比較大，并且在挑流鼻坎的最高點，水流流速達到最大值。