正常運行水位大流量泄洪閘門調度方式分析

楊曉飛 潘 琰

(鹽城市水利勘測設計研究院有限公司水工三室，江蘇 鹽城 224000)

引言

大壩在水資源綜合利用中發(fā)揮水庫流量和上下游水位控制、防洪等作用，這類作用發(fā)揮直接受到閘門調度運行方式影響。結合實際調研可以發(fā)現，不同組合開啟方式下多閘孔閘門存在不同的水流主流區(qū)域、壩下河道流速、堰面流態(tài)、河底壓強、挑距等水力特性，為總結相關規(guī)律，本文圍繞正常運行水位大流量泄洪閘門調度方式展開具體研究。

1 模型建設

我國擁有豐富的水資源，這類資源的綜合利用需要得到大壩的支持，這種支持同時與閘門調度運行存在直接關聯。對于水庫大壩，國內外學界開展了大量研究，本節(jié)將結合這類研究與大流量泄洪閘門調度，圍繞文獻綜述、物理模型、數學模型開展深入探討，以此明確本文研究方法。

1.1 文獻綜述

水庫大壩相關研究向來屬于國內外學界重點，這類研究多圍繞物理模型試驗、原型觀測、數值模擬等方面進行，如通過研究大壩閘門調度運行，即可總結調度運行的方法和規(guī)律。圍繞《多孔攔河閘壩泄洪方案水力特性研究》進行分析可以發(fā)現，通過水工模型試驗，張海光等人結合華安水電站工程實例對多孔攔河閘(彎道河段)水力特性開展了深入研究，啟閉泄洪優(yōu)化方案通過研究得以確定；在《三峽水利樞紐泄洪調度運行水力學試驗研究》中，車清權等人圍繞表孔和深孔泄洪調度方案進行優(yōu)化，結合具體試驗，研究最終建議通過對稱、間隔、均勻原則開啟閘門；在《如何確定閘門混合開啟時的閘孔泄流能力》研究中，羅岸等人結合模型試驗得出閘孔泄流能力在閘門混合開啟時的曲線圖，閘門實際調度因此獲得依據；在《傾倒式沖沙閘水力學特性》中，CHJ Bong等人研究泥沙堆積閘門水流特性，研究發(fā)現水流特性會受到淤泥堆積帶來的負面影響，泥沙堆積情況在閘門檢修時也需要考慮。結合國內外相關研究，本文將結合實際水庫開展研究，以此結合物理試驗與數學模型，優(yōu)選最佳運行調度方式，研究能夠同時為具體實踐提供依據[1]。

1.2 物理模型

為提升研究的實踐價值，本文以某水庫作為研究對象，案例水庫的校核洪水位、水源控制流域面積、總庫容分別為566.26m、437km2、1 470萬m3。對屬于溢流壩形式的案例水庫大壩來說，壩河床建基面高程、壩頂高程、堰頂高程分別為508m、568m、554m，大壩中部布置溢流堰，上、下游河段長度分別為200m、400m。5孔閘門設置于溢流堰上，高度、寬度分別為6mm、9m，平板閘門在堰上布置。為改變水流流態(tài)實現效能，本文需要圍繞不同閘門組合開啟方式進行研究，為簡化研究，本文不考慮下游動床情況，因此選擇正態(tài)定床模型作為物理模型，基于水力學設計相似原則結合原型開展模型設計，采用1∶50的模型幾何尺寸，模擬原型河道總長為1 200m，模型長度為下游迄至壩軸線下游約650m，上游自壩軸線以上約550m，壩軸線上游庫區(qū)、壩軸線下游河道分別存在250m、220m的平均寬度。局部動床模型用于模擬模型高度，具體范圍包括大壩護坦下緣起至壩下250m，預留可沖河床，其存在35m的最大沖刷深度[2]。

1.3 數學模型

研究采用N-S方程進行數值模擬，以此建立數學模型，具體方程包括動量方程、連續(xù)方程、紊動能消耗率ε方程、紊動能k方程，具體建立式(1)所示的連續(xù)方程，式(2)所示的動量方程，式(3)所示的紊動能k方程，式(4)所示的紊動能消耗率ε方程。

式(1)

式(2)

式(3)

式(4)

基于研究需要的河段和水庫的實際地形，數學建模按照1∶1進行，將三維地形坐標真實導入，依托三維地形擬合工具在軟件Rhino 3D中建立地形，地形的修改由剪輯和修建工具負責，之后加入前、后、左、右、上、下邊墻，具體模型建設采用的軟件為flow-3d。選擇非結構形式的模型網格劃分，按照矩形規(guī)則網格對整個模型進行劃分，選擇1.83m的網格規(guī)格，存在約100萬數量的網格。數學模型在x軸方向、y軸方向、z軸方向上的大小分別為0～440m、0～200m、0～70m，x軸方向包括下游河道、溢流壩、上游河道，分別為245m～440m、200m～245m、0～200m，y軸方向存在150m的平均河寬。上下游接近壩體與溢流壩屬于研究重點，因此需要開展局部加密，因此再圈套一個網格，具體在x軸方向、y軸方向、z軸方向的200m～300m、80m～140m、515m～568m處，網格大小、網格數量分別為0.28m、1 500萬左右。最終可以得到2格區(qū)域的整體網格劃分，以及共計1 600萬左右的總體網格數量。數學模型設定進水口為上游庫區(qū)河道，水流會不斷進入，以560m為上游初始水位，采用流量邊界設置，數學模型設定下游挑流后河道為出口，有一定水位的水域會因下游挑流存在，需保證存在530m的下游初始水位，同時進行壓力邊界設置。此外，將固壁邊界設定于模型底部，基于水流進出設定左右兩岸為固壁邊界，將大氣壓力邊界設置于模型正上方與空氣接觸[3]。

2 模型驗證

基于實際溢流壩作為研究原型，并建立1∶1的數學模型，通過對比實際圖和網格劃分渲染效果圖可以發(fā)現，存在整體建立良好的模型。為對模型進行驗證，結合3種案例水庫工況流量進行研究，具體內容包括閘孔挑流形態(tài)、上游流速對比、上游表面流線，對比相應數據，按照工況a、工況b、工況c描述3個模型上游入口流量，分別為1 690m3/s、2 310m3/s、3 970m3/s。

2.1 閘孔挑流形態(tài)

結合案例水庫數值模擬和閘孔挑流試驗觀測可以得到閘孔挑流的具體形態(tài)圖，對比工況a、工況b、工況c下的模擬形態(tài)和試驗觀測照片可以發(fā)現，模擬形態(tài)和試驗觀測照片在右視圖、正視圖方向上存在基本相同的溢流壩面水流形態(tài)、挑流形態(tài)、下游河道水流波動情況，這說明本文建立的數學模型存在較好模擬效果。

2.2 上游流速對比

為實現上游庫區(qū)存在的具體表面流速分布觀測，將流速測量斷面布置于試驗模型閘孔前，分別布置在距壩軸線前10m、40m處，以及距右岸40m與距左岸150m連線斷面處，各斷面均進行5個點測量。在數值模擬等值線圖上繪制試驗觀測得到的各斷面流速可以確定，閘前流速范圍、上游庫區(qū)流速范圍分別為0.43m/s～2.5m/s、0.1m/s～1.5m/s，速度隨流量增加而增加，閘孔前的流速在同種工況下顯著大于庫區(qū)。

2.3 上游表面流線

為對上游庫區(qū)水面波動在不同工況下的變化進行觀察，明確各位置水流流向動態(tài)，對比模擬得到的上游庫區(qū)流線圖和試驗觀測得到的表面流態(tài)圖可以發(fā)現，上游庫區(qū)流態(tài)受增加的流量影響變得紊亂，同時存在較為明顯的表面水流波動，軸向回流區(qū)較為明顯存在于左岸，從兩邊向中間集中的水流流態(tài)存在于靠近閘孔處。進一步對比可以發(fā)現，流量的增加在整體上會導致流態(tài)變得紊亂，由于得到較為相似的局部流態(tài)，可證明存在較好模擬效果?？偟膩碚f，flow-3d軟件能夠較好用于案例水庫溢流壩水力學問題研究，且存在經濟可靠、省時省力、可靠性較高、可重復性模擬、準確度較高等優(yōu)勢[4]。

3 四、五孔均開調度原則數值分析

本節(jié)圍繞四孔均開調度原則、五孔均開調度原則進行分析，最終明確調度方式選擇方式，更好滿足大流量泄洪閘門調度優(yōu)化需要。

3.1 四孔均開調度原則

設置上游水位、來流量分別為560m3/s、900m3/s，在四孔均開調度原則下，設置均為4.5m的四閘門開啟高度。圍繞堰面流態(tài)圖進行分析可以發(fā)現，在將1、2、3、4號孔開啟時(1開孔狀態(tài))，存在受邊墻束縛的1號孔水流，四股閘孔水流在壩面大量交匯，此時存在較紊亂的壩面流態(tài)擴散度，具體在河道左2區(qū)和右1區(qū)間集中。在將1、2、3、5號孔開啟時(2開孔狀態(tài))，存在受邊墻束縛的1、5號孔水流，三股閘孔水流在壩面大量交匯，第四股閘孔水流在其中僅存在少量交匯，此時存在特別紊亂的壩面流態(tài)擴散度，且在河道橫斷面5個區(qū)集中分布；圍繞挑距進行分析可以發(fā)現，在1開孔狀態(tài)時存在31.87m的挑距，在2開孔狀態(tài)時則存在30.82m，挑距差別源于邊墻束縛和壩面上四孔水流交匯影響，這種影響體現在水流的流態(tài)、能量變化方面；圍繞河底壓強進行分析可以發(fā)現，在1開孔狀態(tài)時存在74kPa的下游底板最大壓強，此時存在在河道左2區(qū)和右2區(qū)間集中的壓強最大值，在2開孔狀態(tài)時河道左1區(qū)和右2區(qū)間集中有壓強最大值；圍繞壩下河道流速進行分析可以發(fā)現，在來流量900m3/s時存在于530m左右波動的下游水位，且閘孔挑流帶來的影響較為深遠，因此選擇tecplot軟件在下游水位528m處水平面通過切片得到流速分布情況。在1開孔狀態(tài)下和2開孔狀態(tài)下，均存在22m/s的最大流速，其他區(qū)域則存在0.5m/s～3m/s區(qū)間大致波動的流速，存在顯著均勻分布。圍繞下游最大流速分布進行分析可以發(fā)現，在1開孔狀態(tài)下，下游最大流速分布于河道左2區(qū)和右2區(qū)之間，在2開孔狀態(tài)下，則分布于河道左1區(qū)和右2區(qū)之間。

3.2 五孔均開調度原則

設置上游水位、來流量分別為560m3/s、900m3/s，在五孔均開調度原則下，設置均為3.6m的五閘門開啟高度。圍繞堰面流態(tài)圖進行分析可以發(fā)現，在將所有孔(1、2、3、4、5)均開啟時，存在受邊墻束縛的1、5號孔水流，五股閘孔水流同時在壩面大量交匯，這導致特別紊亂的壩面流態(tài)擴散度出現，具體在河道橫斷面5個區(qū)集中；圍繞挑距進行分析可以發(fā)現，將所有孔均開啟時存在35.25m挑距，在邊墻束縛和壩面上交匯的五股閘孔水流影響下，水流流態(tài)、能量出現一定變化，減小的挑距因此產生；圍繞河底壓強進行分析可以發(fā)現，將所有孔均開啟時存在70kPa的最大壓強，所有孔均開啟時在河道左2區(qū)和右2區(qū)間集中有壓強最大值；圍繞壩下河道流速進行分析可以發(fā)現，將所有孔均開啟時存在20m/s的最大流速，集中存在于水舌沖刷附近，其他區(qū)域流速波動于0.5m/s～2m/s區(qū)間，具體分別較為均勻。圍繞下游最大流速分布進行分析可以發(fā)現，將所有孔均開啟時，最大流速分布在河道左2區(qū)和右1區(qū)間。

3.3 調度方式選擇

對屬于大流量的900m3/s正常運行水位來說，本文采用2種方案進行閘門調度運行控制，考慮到邊墻和壩面上交匯對大流量水流的影響極大，可得出以下三個結論：第一，在四孔均開調度原則中的1開孔狀態(tài)和2開孔狀態(tài)兩種情況下，圍繞數值模擬分析并對堰面流態(tài)、挑距、河底壓強、壩下河道流速等各開啟方式下的參考因素進行對比能夠確定，四孔均開調度原則下的1開孔狀態(tài)表現更為出色；第二，在五孔均開調度原則下將所有孔均開啟時，通過針對性的數值模擬分析，綜合堰面流態(tài)、挑距、河底壓強、壩下河道流速等參考因素，可確定壩面的水流在五孔均開調度原則下相較于四孔均開調度原則較薄，這使得其在對下游河道存在較小的沖刷危害，因此五孔均開調度原則更具優(yōu)勢；第三，在壩面水流擴散度方面，五孔均開調度原則存在著在更大的壩面水流擴散度，同時存在均勻穩(wěn)定且較薄的水舌挑流，因此，其對下游河道存在較小的沖刷危害。結合上述對比，案例水庫應選擇五孔均開調度原則，可由此得到水流穩(wěn)定的閘門開孔挑舌，大壩、下游河道的可靠性和安全性也能夠更好得到保障，同時消能效果也能夠較好滿足。

4 結 論

綜上所述，正常運行水位大流量泄洪閘門調度方式選擇帶來的影響較為深遠。在此基礎上，本文涉及的物理模型、數學模型、閘孔挑流形態(tài)、上游流速對比、上游表面流線、四孔均開調度原則、五孔均開調度原則等內容，則直觀展示了泄洪閘門調度方式選擇方法。為更好選擇泄洪閘門調度方式，智能化仿真研究同樣需要得到重視。