泄洪閘下游局部沖刷坑三維數(shù)值模擬

范愛民

西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽 712100

在泄洪閘開閘放水時，護坦末端的下游河床會被沖刷，尤其是沒有保護措施的下游河床更容易被沖刷。當(dāng)沖刷坑沖刷深度較大并且接近建筑物和側(cè)岸時，將危及下游的防洪安全[1]，甚至引起閘的失事，這為我國水利經(jīng)濟的發(fā)展帶來了很大的損失。現(xiàn)實中由于沖刷造成的建筑物損壞的事例很多，如龔咀水電站1984年分水墻左側(cè)發(fā)現(xiàn)29個沖刷坑，漂木道右側(cè)發(fā)現(xiàn)38個沖刷坑，最大沖刷面積達到91m2，最深的沖刷深度達到了3.8m[2]；南津渡水庫和馬跡塘水電站下游河床都出現(xiàn)了不同程度的沖刷，消能設(shè)施遭受破壞[3]。諸如此類的事件較多，每次河床發(fā)生沖刷，都給社會經(jīng)濟和安全帶來了一定的影響。因此，研究泄洪閘下游的沖刷問題，對于工程的設(shè)計及安全運行有著重要意義。

1 下游河床局部沖刷坑三維數(shù)值模擬

基于ANSYS Fluent軟件平臺，采用RNG k-模型、SIMPLE算法、VOF模型追蹤下游自由水面，結(jié)合動網(wǎng)格構(gòu)建局部河床沖刷數(shù)值模型，對清水來流條件下當(dāng)卡水電站泄洪閘下游局部沖刷問題進行三維數(shù)值模擬研究。

1.1 工程概況

文章研究選擇位于曲河中游的當(dāng)卡水電站，上游距在建查隆通水電站10km，距玉樹州府結(jié)古鎮(zhèn)102km，距西寧市945km，距下拉秀鄉(xiāng)20km，交通較為便利。水工模型幾何比尺為1∶50，上游水庫為定床，下游河床為動床，模型采用有機玻璃制作。當(dāng)卡水電站泄水閘縱剖面圖如圖1所示。

圖1 當(dāng)卡水電站泄水閘縱剖面圖（單位：m）

1.2 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分及邊界條件

運用ANSYS SCDM軟件對當(dāng)卡水電站進行三維建模。采用ICEM CFD軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為350萬。

邊界條件的設(shè)置如圖2所示。由圖2可見，水流進口采用速度入口邊界條件，空氣進口采用壓力進口，設(shè)置下游出口水深，因此選用壓力出口作為出水口邊界條件。

圖2 邊界條件設(shè)置示意圖（單位：m）

2 下游局部沖刷過程研究

2.1 沖刷坑數(shù)值模擬結(jié)果驗證

為了驗證基于Fluent軟件構(gòu)建的河床局部沖刷數(shù)值模型的可靠性，采用流量為345.36m3/s、400.48m3/s，泥沙粒徑為100mm、50mm的組合的三種工況下的數(shù)值模擬結(jié)果與水工物理模型的試驗數(shù)據(jù)進行對比[4]，沖刷坑深度及沖刷坑長度的對比如表1所示。由表1可見，三種工況下的沖刷坑深度相對誤差范圍為1.79%～2.91%，沖刷坑長度相對誤差范圍為2.38%～5.06%，驗證結(jié)果較好。

表1 沖刷深度及沖刷長度對比

2.2 沖刷坑形態(tài)不同時期變化規(guī)律

泄洪閘流量為345.36m3/s，泥沙粒徑為100mm的工況下，下游河床中軸線局部沖刷過程沖刷坑縱向形態(tài)不同時期變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，下游河床沖刷坑形態(tài)隨時變化。在河床沖刷過程中，隨著下游河床沖刷坑的發(fā)展，沖刷坑底部平整床面的范圍不斷減小，沖刷坑的背水坡及迎水坡也不斷變化；在沖刷初期沖刷最為強烈，沖刷坑深度增加到一定程度后，進入沖刷的發(fā)展階段，沖刷坑范圍向下游擴張速度有所降低，當(dāng)達到?jīng)_刷末期后，沖刷坑范圍及深度基本不再改變。

圖3 下游河床沖刷坑縱向形態(tài)不同時期變化規(guī)律

2.3 床沙粒徑對沖刷坑形態(tài)的影響

泄洪閘流量為345.36m3/s，泥沙粒徑為100mm、50mm的工況下，下游局部河床沖刷末期沖刷坑縱向形態(tài)的對比如圖4所示。由圖4可知，隨著泥沙粒徑的減小，沖刷坑縱向剖面范圍逐漸增大；反之，沖刷坑范圍及深度減小。究其原因，是因為床面泥沙粒徑越小，需要的泥沙起動流速也越慢。

圖4 不同河床沙粒徑下沖刷坑縱向形態(tài)的對比

2.4 泄流量對沖刷坑形態(tài)的影響

泥沙粒徑為50mm，泄洪閘流量為345.36m3/s、400.48m3/s的兩種工況下，下游局部河床中軸線極限沖刷平衡階段沖刷坑縱向形態(tài)的對比如圖5所示。由圖5可知，在床面泥刷坑范圍及深度是呈現(xiàn)增大趨勢的。究其原因，是因為泄流量越大，消力池護坦末端的流速越快，下游河床沖刷程度也就越嚴重，最終導(dǎo)致河床容易被沖刷。

圖5 不同流量下沖刷坑縱向形態(tài)的對比

2.5 床面切應(yīng)力不同時期變化規(guī)律

各階段泄洪閘流量為345.36m3/s，泥沙粒徑為100mm的工況下，河床中軸線上的局部沖刷過程床面切應(yīng)力沿程分布規(guī)律如圖6所示。

圖6 沖刷坑發(fā)展過程床面切應(yīng)力變化

由圖6可知，各沖刷階段床面切應(yīng)力均沿程先增大后減小，沖刷坑上下游坡面泥沙臨界起動切應(yīng)力均大于平坡臨界起動切應(yīng)力，床面切應(yīng)力大于臨界起動切應(yīng)力的位置上均發(fā)生了沖刷，且切應(yīng)力峰值基本位于各階段最大沖刷坑深度位置上。總體來看，床面沖刷區(qū)域隨沖刷時間發(fā)展而減小。

沖刷初期，閘壩下游91.81～127.44m范圍床面切應(yīng)力均大于泥沙臨界起動切應(yīng)力，在閘壩下游101.94m處達到切應(yīng)力峰值3.5051Pa，遠大于床面臨界起動切應(yīng)力，該階段沖刷坑范圍迅速擴大，深度迅速增加。沖刷中期，閘壩下游99.43～111.47m范圍床面切應(yīng)力均大于泥沙臨界起動切應(yīng)力，范圍相對于沖刷初期有所減小，在閘壩下游104.84m處達到切應(yīng)力峰值2.0941Pa，該階段沖刷坑范圍繼續(xù)向下游擴張，但擴張速度有所降低。極限沖刷平衡階段，床面切應(yīng)力峰值位于閘壩下游104.58m處，切應(yīng)力值為1.1993Pa，小于平坡泥沙起動切應(yīng)力1.3124Pa，整個下游河床的泥沙都不再起動輸移，沖刷坑形態(tài)也不再變化。綜上所述，床面切應(yīng)力是影響沖刷坑形態(tài)的主要因素，其中對于距離護坦末端比較遠的河床水流切應(yīng)力較小，致使床面沒有產(chǎn)生沖刷。

3 結(jié)論

文章基于Fluent軟件建立了局部河床沖刷數(shù)值模型，模擬了當(dāng)卡水電站下游局部河床沖刷過程，主要得出以下結(jié)論：

（1）下游河床沖刷坑形態(tài)隨時變化，沖刷初期沖刷坑發(fā)展最快；沖刷中期沖刷坑深度變化速率減小，范圍繼續(xù)向下游擴張；沖刷末期沖刷坑范圍及深度均不再變化。

（2）在同一泄流量不同粒徑條件下，下游河床的沖刷坑范圍及深度隨著床面泥沙粒徑增大呈減小趨勢；同一粒徑不同泄流量條件下，下游河床的沖刷坑范圍及深度隨著泄流量增大呈增大趨勢。

（3）隨著下游局部沖刷坑的發(fā)展，床面切應(yīng)力也不斷發(fā)生變化，是影響沖刷坑形態(tài)的主要因素。