某水電站泄洪底孔水力學特性的數值模擬研究

王永成，周 濤

（江西省水務集團有限公司，江西 南昌 330000）

1 引言

近幾年，由于洪水的影響而導致水工結構建筑發生破壞越來越多[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構。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、分析當地水流條件對泄洪建筑的影響便成為研究重點之一，并且研究結果將對保護水利樞紐的水工結構建筑有重要的意義。

本文建立泄洪底孔結構模型并采用有限元軟件模擬其水力特性，將結果與實驗結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 數值計算模型

如圖1所示，某水電站泄洪底孔的計算區域建立坐標系。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，明渠段的側墻部分為20 m。

圖2 有壓段網格劃分

圖3 明渠段網格劃分

分別設置設計工況（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果分別與實驗結果相對比，可以使對泄洪底孔的水力學模擬結果更加可靠。

3 數值計算結果分析

3.1 水面線與水流流態

由于數值模擬得到的水面線是一個具有水-氣二相的界面，因此在結果分析中利用體積分數作為水面線的表現形式。從圖4中可以很容易看出，設計工況下（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果的可靠性，將泄洪底孔在閘門全開狀態下經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，無論是設計工況還是校核工況，有限元軟件的模擬結果與實驗結果的誤差很小。對于設計工況，模擬與實驗結果的誤差為1.64%，而校核工況下的誤差與設計工況相比更小，僅有1.61%。這個結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。圖中不難發現，設計工況圖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律相同逐漸增大，整個過程中的水位均小于設計洪水水位高度。

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，因此說明模擬計算與實驗結果的整體擬合性較好，模擬得到的結果可以作為設計依據。

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，在明渠段內達到最小后沿縱剖面逐漸增大，再一次達到頂峰后轉而逐漸減小，在縱剖面的邊緣處達到負值。從圖6（a）中可以發現，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）可以發現，校核工況下沿縱剖面的壓強水頭曲線規律與設計工況相同，即先逐漸減小，在明渠段內達到最小值后沿縱剖面逐漸增大，達到明渠段內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）中可以發現，與設計工況相似，實測值和模擬值在有壓段的擬合度優于明渠段的擬合度，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構某個點的壓強，而在數值模擬中得到的結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中可以明顯發現，實測流速普遍小于模擬流速。設計工況下的流速誤差最大為-2.12%，發生在斷面3處；校核工況下流速的最大誤差為-2.4%，發生在斷面5的位置處。與壓強相同，產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。

表2 設計工況流速

表3 校核工況流速

從圖7中可以得到，無論是設計工況還是校核工況，在明渠段內，泄槽水流流速比較平穩，明渠內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，會產生流速的突然增大現象。

圖7 明渠段流速云圖

4 結論

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

（1）模擬得到的設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，并且發現挑流鼻坎的設置有效的降低了下游處的水面線。

（2）明渠段內無論是設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，水位基本呈現先緩慢減小然后逐漸增大的趨勢。

（3）有壓段和明渠段內的兩個工況的壓強水頭曲線的發展趨勢相同，兩個工況下有壓段內的實測壓強與模擬壓強曲線擬合比明渠段內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，在反弧區的壓強有所增大，在挑流鼻坎頂端壓強出現負值，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，泄槽水流流速比較平穩，明渠內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。