百色市那坡水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)及其三維流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

李 熙

(中科信德建設(shè)有限公司，四川 成都 610057)

那坡水庫(kù)位于廣西百色市南盤(pán)江之上，是兼有農(nóng)業(yè)供水、防洪等功能的小(1)型水庫(kù)工程。擋水建筑物為復(fù)合土工膜防滲風(fēng)化料壩，壩軸線方位角N20.41°E，壩軸線長(zhǎng)80.02m，壩頂高程1365.00m，防浪墻頂部高程為1366.00m，壩頂寬5.0m，下游壩坡在1347.00m高程設(shè)置寬度為2.0m馬道，下游面采用格構(gòu)加草皮護(hù)坡，頂寬5.0m。最大壩高35.5m(壩軸線處)，壩底最大寬度82.6m。

在工程可研階段需要對(duì)水庫(kù)溢洪道進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)測(cè)模型與三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，對(duì)數(shù)據(jù)合理性進(jìn)行分析，通過(guò)模擬數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)成果對(duì)照，為設(shè)計(jì)參數(shù)的驗(yàn)證提供依據(jù)。

1 溢流壩段設(shè)計(jì)

重力壩具備擋水及宣泄水流的功能。溢流壩段溢洪道的設(shè)計(jì)，要保證溢流壩在擋水時(shí)滿足抗滑穩(wěn)定性及防滲要求，同時(shí)為充分滿足溢洪道泄洪要求，要求對(duì)堰的型式及尺寸進(jìn)行充分論證，下游銜接WES曲線的構(gòu)造及設(shè)計(jì)要保證水流能夠平順地流向下游，盡量降低汽蝕和沖刷對(duì)水流消能的影響[1-2]。

1.1 定型設(shè)計(jì)水頭的確定

Hzmax=校核洪水位-堰頂高程=1362.93

-1360.02=12.91m

不同設(shè)計(jì)水頭堰頂最大負(fù)壓見(jiàn)表1。

表1 不同設(shè)計(jì)水頭堰頂出現(xiàn)的最大負(fù)壓

本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)洪水位為50年一遇，取HS=Hzmax,即最大負(fù)壓值為零，Hs=Hzmax=12.91m。

1.2 消能防沖計(jì)算

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5108—1999)，反弧半徑為R=(4～10)hc，其中hc為閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，反弧段校核洪水最低點(diǎn)的水深，R介于24.88～62.2m之間，迭代法算出h1=hc=6.22m，反弧半徑R=28m。鼻坎的高程為1339.5m，挑流鼻坎的挑角θ=24°。本設(shè)計(jì)選用校核洪水位工況作為計(jì)算工況。

(1)

式中q—校核洪水位時(shí)的單寬流量，q=118.7m3/s；

v——鼻坎處的平均流速，m/s；

φ——流速系數(shù)；

Z——上下游水位差，m；

h——坎頂水深，m；

b——溢流壩段凈寬，本設(shè)計(jì)b=15m；

S——上游水位到鼻坎高程，S=452-429.5=22.5m。

挑流鼻坎挑射距離L按水舌邊緣計(jì)算：

(2)

式中L——水舌挑距，m；

θ——挑射角度；

v1——坎頂水面流速，m/s。

經(jīng)計(jì)算，L=33.182m。

最大沖坑水墊厚度計(jì)算公式為

tk=αq0.5H0.25

(3)

(4)

上二式中tk——自由面至坑底水墊的厚度，m；

α——沖坑系數(shù)，取1.2；

q——單寬流量，m3/s；

H——上下游水位差，m；

H2—下游水深，m。

1.3 溢流壩面水面線計(jì)算

以下根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》第6卷進(jìn)行水面線計(jì)算[3]。

1.3.1 確定自然摻氣開(kāi)始發(fā)生點(diǎn)的位置

已知q=118.7m3/s，則

Lc由《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》第六卷X與Hd比值確定，X的確定是在堰的頂部逐步向下游算得，切點(diǎn)(13,6.5)處Xt=13.0m，Hd=13m，X/Hd=1時(shí),Lct/Hd=1.462,因此Lct=1.462×13=19.01m。

堰頂上游段的曲線長(zhǎng)度，Lcu=0.315Hd=0.315×13=4.095m。

L=Lcu+Lct=19.01+4.095=23.105m。

Lk>Lcu，因此溢流堰上不會(huì)發(fā)生摻氣。

1.3.2 壩頭水面線計(jì)算

由于H=1362.93-1360.02=12.91m和Hd=11.24m，H/Hd=1.15，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水面線坐標(biāo)計(jì)算數(shù)據(jù)

1.3.3 反弧段水深

坎頂水深h=q/v=118.7/19.084=6.22m。

1.3.4 溢流壩段邊墻高度的確定

《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5108—1999)規(guī)定，中間直線段較短，堰頂曲線邊墻高度，采用在自由水面線以上1.5m處,反弧段邊墻高度在挑坎水深以上1.2m。

1.4 溢流壩剖面設(shè)計(jì)

那坡水庫(kù)重力壩中采用WES曲線，大體可以分為頂部曲線段、直線段和反弧段。

1.4.1 頂部曲線段

溢流堰的曲線采用WES型曲線，基本剖面形狀見(jiàn)圖1,其中Hd為設(shè)計(jì)水頭，取75%～95%堰頂最大水頭(Hmax)。

圖1 WES型堰面曲線

以曲線的頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立x和y坐標(biāo)軸，分別用三圓弧法和WES繪制圖像，計(jì)算公式如下：

x1.85=2.0Hd0.85y

(5)

式中Hd——堰頂設(shè)計(jì)水頭，取Hd=0.87Hmax=11.24m。

溢流堰上游段及三段圓弧的尺寸，見(jiàn)表3。

表3 三段圓弧參數(shù)值

溢流堰下游段：x1.85=2.0×130.85y。

堰面曲線坐標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 WES曲線坐標(biāo)

1.4.2 中間直線段

非溢流壩段下游坡率等于溢流壩直線段坡率，m=1∶0.8。

2 數(shù)值模擬分析

基于有限體積法利用FLUENT軟件建立氣水兩相湍流模型[4-5]，對(duì)那坡水庫(kù)水庫(kù)溢洪道過(guò)壩水流進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)校核洪水位及設(shè)計(jì)洪水位工況下的流速分布及水面線進(jìn)行驗(yàn)證(見(jiàn)表5)。

表5 模擬工況

a.圖2、圖3分別為校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位工況下，溢洪道0+000、0+005、0+020三個(gè)斷面的流速矢量分布，流速方向如箭頭所示。從斷面矢量上看，流速由堰頂向挑流坎逐漸增大，挑流坎末端最大流速約為24.41m/s，堰頂最大流速約為12.12m/s，與理論計(jì)算值對(duì)比擬合度較高?；《巫畹忘c(diǎn)前高速流區(qū)位于上層，最低點(diǎn)后高速流區(qū)位于下層。與理論計(jì)算流速的平均值對(duì)比，模型可以模擬水流在縱向斷面上的流速分布，從而對(duì)設(shè)計(jì)值進(jìn)行驗(yàn)證，有針對(duì)性地加強(qiáng)溢洪道局部位置的抗沖刷能力。

圖2 校核洪水位下流速分布矢量圖

圖3 設(shè)計(jì)洪水位下流速分布矢量圖

b.水面線擬合分析。通過(guò)數(shù)值模擬得到的水閘上游及溢洪道上水面線分布見(jiàn)圖4，圖中點(diǎn)狀標(biāo)識(shí)代表理論計(jì)算數(shù)值，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，水閘進(jìn)口斷面處模擬值比理論計(jì)算值高0.121m，最大水面線差值為ΔHmax=0.78m，最小差值為ΔHmin=0.02m，經(jīng)分析，最大最小差值出現(xiàn)斷面均為0+018.21處，對(duì)比兩種工況發(fā)現(xiàn)，工況B模擬擬合度最高，差值最小，工況A模擬擬合度最低，差值最大，但兩種工況下總體擬合度均較高，誤差均控制在0.72%以內(nèi)，數(shù)值模擬具備較高的參考及指導(dǎo)意義。

圖4 不同工況模型數(shù)值計(jì)算及水面分布

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)那坡水庫(kù)溢流壩段進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定定型水頭，計(jì)算不同設(shè)計(jì)水頭堰頂最大負(fù)壓，利用消能防沖計(jì)算確定溢洪道反弧半徑及挑流鼻坎的挑角，通過(guò)溢洪道水面線計(jì)算及剖面設(shè)計(jì)確定了溢洪道邊墻高度及WES曲線頂部曲線段、直線段和反弧段構(gòu)造。溢洪道數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果符合基本理論紊流模型，較全面地模擬計(jì)算了溢洪道在校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位下的典型斷面的三維速度場(chǎng)和水面線分布，模型模擬與理論計(jì)算值對(duì)比結(jié)果表明，本文建立的模型能較準(zhǔn)確地模擬那坡水庫(kù)溢洪道的流場(chǎng)分布和水動(dòng)力特性，為溢洪道可研階段設(shè)計(jì)合理性提供更為可靠的數(shù)據(jù)支撐。