三峽水庫(kù)近壩區(qū)泥沙輸移數(shù)值模擬分析

羅倫，沈思敏

（1．廣東水科院勘測(cè)設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510635；2．廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635）

三峽水利樞紐是世界上規(guī)模最大的水利工程，其泥沙輸移問(wèn)題一直是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。王玲等和魏麗等對(duì)三峽水庫(kù)長(zhǎng)江上游水沙變化進(jìn)行了分析，董年虎等對(duì)三峽水庫(kù)不平衡泥沙的輸移規(guī)律進(jìn)行了研究，馬琳等對(duì)三峽電站過(guò)機(jī)泥沙含量進(jìn)行了初步監(jiān)測(cè)分析，黃仁勇等對(duì)三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)水沙輸移進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。本文搜集大壩上游廟河水文站多年水文泥沙的基礎(chǔ)資料，采用MIKE 軟件MT 模塊對(duì)近壩區(qū)水域泥沙輸移進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1 工程概況及控制方程

1.1 工程概況

圖1為三峽工程樞紐布置示意圖。水電站采用壩后式布置方案，其中左電廠(chǎng)和右電廠(chǎng)分別有14 臺(tái)和12 臺(tái)機(jī)組。

圖1 三峽工程樞紐布置圖

1.2 控制方程

本文水動(dòng)力模型主要控制方程為水流連續(xù)性方程和不可壓縮的Navier-Stokes 方程，在泥沙模擬研究論文中已給出。MIKE 軟件中泥沙輸運(yùn)（MT 模塊）的控制方程如下：

2 泥沙輸運(yùn)模型建立及率定

2.1 研究區(qū)域及網(wǎng)格

本文選取了廟河水文站至壩前部分水域（長(zhǎng)度為18.4 km，邊線(xiàn)為175 m 高程線(xiàn)）為研究區(qū)域，用MIKE軟件建立的研究區(qū)域數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域數(shù)值化地形圖

研究區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，設(shè)定網(wǎng)格內(nèi)角在27°以上，并對(duì)壩前200 m 內(nèi)區(qū)域和某些水深變化大的區(qū)域進(jìn)行局部加密。通過(guò)不同數(shù)目的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定采用的總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為234300，研究區(qū)域整體網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 研究區(qū)域整體網(wǎng)格圖

2.2 模擬計(jì)算設(shè)置

本研究采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行空間離散。上游和下游分別采用入口流量和出口流量的邊界條件。泥沙模型的主要參數(shù)為沉速，水平紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，沉積及侵蝕系數(shù)等，需根據(jù)驗(yàn)證資料進(jìn)行率定。根據(jù)現(xiàn)有資料將泥沙沉速定為常數(shù)，時(shí)間步長(zhǎng)為60s。

2.3 模型的率定與驗(yàn)證

本次選擇2010年7月19日的洪峰過(guò)程工況來(lái)對(duì)模型進(jìn)行率定，得到最終模型采用的主要參數(shù)見(jiàn)下表1。圖4為當(dāng)日不同機(jī)組進(jìn)水口泥沙含量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖，發(fā)現(xiàn)曲線(xiàn)整體趨勢(shì)一致，模擬結(jié)果接近實(shí)測(cè)值，說(shuō)明采用此泥沙運(yùn)輸模型對(duì)各機(jī)組進(jìn)水口泥沙含量模擬預(yù)測(cè)是可行的。

表1 懸沙模型采用的主要參數(shù)

圖4 不同機(jī)組進(jìn)水口泥沙模擬與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖（2010．7．19）

3 工況計(jì)算與分析

3.1 工況的選擇

本文按照水庫(kù)的調(diào)度方式選擇四種典型工況來(lái)進(jìn)行近壩區(qū)泥沙輸運(yùn)數(shù)值模擬計(jì)算，選定的工況如表2所示。

表2 選定的四種工況

3.2 不同工況計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)機(jī)組同步進(jìn)行檢修時(shí)，可減少分次檢修的不便，故認(rèn)為各機(jī)組泥沙分布均勻的工況為有利機(jī)組同步檢修的工況。

3．2．1 175m 運(yùn)行工況結(jié)果分析

圖5、圖6和圖7、圖8分別為在175m 水位工況1和工況2 條件下，模擬得到的壩前流場(chǎng)和泥沙場(chǎng)分布圖。從圖5和圖7中可看出，在開(kāi)啟的機(jī)組進(jìn)水口處流速較大。從圖6和圖8中可看出，壩前泥沙含量分布整體呈現(xiàn)從中間向兩側(cè)逐漸減小的分布。

圖5 工況1 壩前流場(chǎng)分布圖

圖6 工況1 壩前泥沙場(chǎng)分布圖

圖7 工況2 壩前流場(chǎng)分布圖

圖8 工況2 壩前泥沙場(chǎng)分布圖

為進(jìn)一步分析，繪制工況1 和工況2 各機(jī)組進(jìn)水口處含沙量數(shù)據(jù)的柱狀圖9和圖10。從圖9中可看出，1#至26#機(jī)組進(jìn)水口處泥沙含量呈“駝峰”型式，其中在14#機(jī)組進(jìn)水口處泥沙含量達(dá)到峰值。從圖10中可看出，1#至26#機(jī)組進(jìn)水口處泥沙含量左岸側(cè)小，中間分布較均勻。以上分析發(fā)現(xiàn)工況1 條件下，位于主流中間機(jī)組較位于兩岸機(jī)組進(jìn)水口處含沙量差別較大，不利于同步檢修機(jī)組。工況2 條件下，中間機(jī)組進(jìn)水口處含沙量分布較均勻，有利機(jī)組同步檢修。

圖9 工況1 各機(jī)組進(jìn)水口位置含沙量數(shù)據(jù)圖

圖10 工況2 各機(jī)組進(jìn)水口位置含沙量數(shù)據(jù)圖

3．2．2 145m 運(yùn)行工況結(jié)果分析

圖11、圖12和圖13、圖14分別為在145m 水位工況3 和工況4 條件下，模擬得到的壩前流場(chǎng)和泥沙場(chǎng)分布圖。圖11和圖12中可看出，在開(kāi)啟的機(jī)組進(jìn)水口處流速較大，壩前泥沙含量分布整體呈現(xiàn)從中間大兩側(cè)小的分布。對(duì)比圖11和圖12，圖13和圖14中開(kāi)啟泄洪深孔后，壩前水域左岸機(jī)組段、中間溢流壩段、右岸機(jī)組段附近流速都較大，泥沙分布也發(fā)生部分變化，說(shuō)明深孔開(kāi)啟會(huì)改變壩前流場(chǎng)和泥沙場(chǎng)分布。

圖11 工況3 壩前流場(chǎng)分布圖

圖12 工況3 壩前泥沙場(chǎng)分布圖

圖13 工況4 壩前流場(chǎng)分布圖

圖14 工況4 壩前泥沙場(chǎng)分布圖

圖15和圖16為工況3 和工況4 各機(jī)組進(jìn)水口位置處含沙量數(shù)據(jù)圖。從圖15中可看出，左岸和右岸機(jī)組的泥沙含量分別有相應(yīng)的峰值，其中左岸較右岸含沙量高。從圖16中可看出，1#～26#機(jī)組進(jìn)水口處含沙量分布呈 “先增大，后減小”的趨勢(shì)，在15#機(jī)組進(jìn)水口處含沙量最大，兩側(cè)1#和26#機(jī)組含沙量最小，主流附近各機(jī)組含沙量分布較均勻。

圖15 工況3 各機(jī)組進(jìn)水口位置含沙量數(shù)據(jù)圖

圖16 工況4 各機(jī)組進(jìn)水口位置含沙量數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

本文采用MIKE 軟件MT 模塊對(duì)三峽水庫(kù)近壩區(qū)水域流場(chǎng)及各機(jī)組進(jìn)水口處泥沙分布特性進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：

（1）在枯水期175m 水位運(yùn)行工況下，工況2（開(kāi)啟3#、7#、13#、15#、20#、26#機(jī)組）條件下能使各機(jī)組泥沙含量分布較均勻，對(duì)機(jī)組同步檢修有利；工況1（開(kāi)啟7#、10#、13#、15#、18#、20#機(jī)組）會(huì)導(dǎo)致位于主流中間的機(jī)組較位于兩岸的機(jī)組進(jìn)水口位置處含沙量差別較大，不利于同步檢修機(jī)組。

（2）在豐水期145m 水位，未開(kāi)啟泄洪深孔的情況下，可看到左岸和右岸的機(jī)組的泥沙含量分別有相應(yīng)的峰值，其中左岸較右岸泥沙含量高。深孔的開(kāi)啟可以改變壩前流場(chǎng)和泥沙分布情況。