泄洪閘下游消能措施的數值模擬研究

魏 雄

(塔里木河流域巴音郭楞管理局 孔雀河下游管理站，新疆 尉犁 841500)

1 研究背景

目前，水力學的研究方法主要有3種，分別是物理模型試驗、數值模擬研究、理論計算分析。在以原型為基礎模型建立準確的情況下，數值模擬的方式更加經濟可靠，可重復性高，可以再現水流的復雜變化過程。

針對閘壩消能的問題目前學者們已經通過相關研究，可以作為本文研究的初步理論和可行性基礎。在物理模型方面，對消力池底板抬高的做法有助于提高消能效果，對水庫溢洪道消能工采取導墻及挑流面進行優化研究，優化后的消能效果更好[1-3]。數值模擬方面，對獅子崖水庫溢流壩挑流消能方案、古委水庫泄水建筑物泄洪消能設計進行的數值模擬研究分析，均可以得出其優化前后方案的比較結果，可為水庫閘壩的調整及改善提供理論參考[4-5]。

以上對閘壩的消能優化措施的研究，在物理模型試驗和數值模擬兩方面分別進行研究和探討，為數值模擬研究提供了可靠的理論基礎。本文主要對閘壩下游河道某處進行擴寬處理，來研究其消能的排水效果。

2 數學模型

目前對于數值模擬的方法很多，本文主要采用在水流沖刷性模擬較合理的Flow-3d計算軟件，同時對于紊流模型選擇較常用的RNGk-ε，因為其在模擬自由表面及水位波動方面具有較好的擬合性，能再現復雜的水流過程[6]。由于只考慮計算的水位、流速及沖刷的影響，本次計算模型網格劃分采用規則的結構化方法，將以XYZ三維方向對模型進行劃分，具體子單元網格邊長為0.25 m，整個網格總數量約為500×104個。

2.1 邊界條件

上游河道設置流量邊界及初始水位，下游河道設置為自由出流邊界，模型上方設置大氣壓力邊界，模型其他位置設置固體邊界。

2.2 初始條件

依據閘壩資料設置上游初始水位15 m，模型閘壩下游河道初始水位為10 m；給定的初始流量為Q=120 m3/s，時間步長為0.01 s。

2.3 工程背景及模型的驗證

2.3.1 工程背景

清水河在出山口克爾古提水文站處建有清水河引水樞紐，樞紐至東西支分岔口河段，東岸伴行有塔哈其干渠，西岸伴有清水河干渠，此段為河流漫灘，無明顯河槽。清水河東西支泄洪閘設計防洪標準為10年一遇，西支泄洪閘設計泄洪流量125 m3/s；東支泄洪閘設計泄洪流量75 m3/s。清水河東西支泄洪閘合計設計泄洪流量200 m3/s，校核泄洪流量225 m3/s。

2.3.2 模型驗證

為研究閘壩下游河道擴寬處理對泄洪消能的影響，通過建立數學模型進行試驗,以清水河東西支泄洪閘為驗證對象，將數值模擬與物理試驗的結果進行對比分析，具體結果見圖1。

圖1 泄洪閘下游水位

由圖1可知，將實測的閘壩泄洪水位波動與數值模擬進行對比。結果表明，實測值與數值模擬結果基本吻合，兩者誤差在1.73%～2.22%之間。本文數學模型建立準確可靠，可以為泄洪閘下游水流消能措施進行研究。

3 泄洪閘下游消能措施數值模擬

3.1 水流流線

對泄洪閘下游河道進行擴寬處理，以增加下游部分瞬時存水量，形成一個類似消力池，以降低泄洪大流量下對下游的沖刷。為研究泄洪對下游水位的影響進行數值模擬，具體見圖2。

根據圖2可知，沿泄洪閘水流流動方向，流線在閘室附近處較高，隨后在河道擴寬段處降低變得平緩，之后流線緩慢變動，對下游河道影響減小。因此，在泄洪閘下游擴寬河道對減緩河道流線變化和波動效果較好。

3.2 沿層流速

泄洪閘下游流速是較關鍵的參數，流速的波動快慢、大小將影響下游的河床及邊坡的穩定。為此，本文就泄洪閘下游河道擴寬處理后的流速進行模擬。試驗選擇沿水流方向10個測點進行統計，將數值模擬的結果和實測的結果進行匯總，具體見圖3。

圖2 擴寬后下游流線圖(單位：m)

圖3 擴寬后下游平均流速

由圖3可知，由于泄洪閘下游水流碰撞及交匯消耗部分能量，沿水流方向流速在緩慢減小。同時可知，下游擴寬后在測點3開始流速減小較明顯，流速相對較穩定。

3.3 消能率

對于水力學消能率的計算方式有很多，本文采用比較通用的消能率計算公式。具體公式如下：

式中：E1、E2分別為上下游計算斷面的總能量；H1、H2分別為上下游計算斷面的水深；v1、v2分別為上下游計算斷面的平均流速；α1、α2分別為上下游進出口斷面流速系數，取1[6]。

同時根據計算公式，將各個斷面的能量進行劃分，具體見表1。

由表1可知，泄洪閘下游擴寬后對瞬時泄洪進入下游有提高消能的效果，擴寬部分河寬使得下游的水流交匯橫斷面積增加，水流的相互碰撞、匯流機會增加，消耗部分能量。泄洪閘下游河道擴寬有助于水流能量的消耗，在施工及技術上方便可靠。

表1 消能率

4 結 論

1) 通過試驗值與數值模擬值比較可知，在對于泄洪閘這類的復雜水力學問題，可以借助計算機軟件進行模擬，經濟方便、準確性較高。

2) 對泄洪閘下游河道進行擴寬處理后，沿水流方向流線在閘室附近較高，隨后在河道擴寬段降低變得平緩，之后流線緩慢變動，對下游河道影響減小。

3) 泄洪閘泄洪水流進入下游，下游擴寬后使得下游水流交匯橫斷面積增加，因此水流的相互碰撞、匯流時間及次數增加，消耗部分水流能量，增加下游的消能率且保證水流流速穩定。因此，在泄洪閘下游擴寬河道對減緩河道流線變化和波動效果較好。