基于水力特性的二塘溝流域分流排洪體型優化研究

賈文亮

(吐魯番市二塘溝水庫運行調度中心,新疆 吐魯番 838000)

0 引 言

以降雨和融雪補給為主的二塘溝河為山溪性河流,其局部大降水引發洪水的概率超過90%。二塘溝流域坐落于吐魯番盆地東北部,西部與吐魯番市毗鄰,北部以天山為界,毗鄰奇臺縣,地處N42°38’-N43°29’,E89°15’-E90°02’,東西最大寬度60km。該流域源頭為天山南坡,其集水面積532km2[1-2]。據不完全統計,鄯善縣二塘溝河流域洪災頻發,暴雨洪水破壞力極強,該流域在1984、1996、2005-2007年分別發生了洪水襲擊,對當地生態環境、經濟損失以及人身安全造成較大的損害[3]。

導流泄洪洞作為水工結構中常用的泄水建筑物,其體型設計常會受到地質地形、工程結構等因素的影響,其設計形式與泄流流態、水力特性等密切相關[4]。加強對導流泄洪洞建設的安全性評估和改進,能有效保障水利工程安全,發揮其分流泄洪的能力。因此,本文基于水力特性對二塘溝流域進行分析,借助模型數值分析對其進行體型優化和建設研究,以期提高該流域水庫的防洪能力和工程安全。

1 水力特性分析下的二塘溝分流排洪體型設計

1.1 二塘溝流域概況及原設計方案分析

二塘溝河屬于塔里木內陸區的艾丁湖水系,起源于天山博格達山南麓,該河流呈西北-東南走向,流域河道出口以上流域面積532km2,主要的典型地貌類型包括侵蝕/剝蝕山區和山前沖洪積礫質傾斜平原。二塘溝流域河源高程3 800m以上,其主支有多個小支流匯入,且左岸水系發達于右岸[5]。二塘溝流域的氣象情況經由鄯善縣氣象站觀察得到,其多年平均氣溫7℃～9℃,年平均降水量為131.8mm,多年平均蒸發量為1 966.8mm,多盛行西北風。同時,該流域高山區氣候較為溫暖涼爽,降雨量充沛,河流自出山口流出后,途經火焰山、魯克沁等鄉鎮,最終匯入艾丁湖。二塘溝水庫的上下壩址均在二塘溝水文站的1km范圍內,上壩位置和下壩位置位于水文站的基礎剖面和站點以下900m處,且該工程區地處博格達山南緣中山區,以北高南低的山地地形為主[6]。見圖1。

圖1 二塘溝流域水系及相關站點網分布情況示意圖

二塘溝水庫壩址庫區位于中山區峽谷中,最高和最低海拔高度分別為2 000和1 550m,相對高差在100～550m范圍內,庫區岸邊的基巖山體較為堅固,整體呈現U形地形。水庫的河道兩側因縱坡面位置以及水流侵蝕作用的差異而形成因河流下切的四級階地,其中一、二級階地因活動作用強烈而發育程度較好,且階面與階地相比稍跨寬,而三、四級階地則分布較為零散。水庫左岸的基巖巖性以凝灰巖、英安巖為主,巖石的風化作用明顯且巖體較為破碎;右岸的地形斜率在40～50度之間,部分地區的傾斜角度甚至近似于90度,且多為存在裂縫情況的裸露性凝灰巖[7-8]。

二塘溝水庫是一座由瀝青心墻壩、導流泄洪洞、溢洪道和排灌洞等排水設施構成的中型水庫,其中導流泄洪洞主要承擔流域水庫的分流泄洪能力。導流泄洪洞設計的合理性程度會對整個水利工程造成較大的影響,因此本文主要對導流泄洪洞進行分析。原方案下導流泄洪洞在全開狀態下的泄流能力差值變化較大,當庫水位大于1 433.0m時,導流泄洪洞的導流表現為壓力流,導流泄洪洞入口處出現間歇性漩渦,其漩渦貫通時間較短,且在較高庫水位時偶有出現[9]。同時,原方案中受工作閘室段擴散的影響,存在水面跌落情況,且消力池在水位不斷升高下出現遠驅水躍,其深度和高度建設不足。但其汛期水力參數分析和蓄水期下的泄流能力符合規范標準,因此加強對消力池的建設是后續需要改進的方面。

1.2 導流泄洪洞水利模型構建及數值模擬分析

二塘溝水庫的導流泄洪洞主要位于該流域的左岸巖體內,與下泄灌溉洞的洞軸相隔20 m。該泄洪洞在水庫汛期運行期間,發揮著洪水分流、放水等功能;在水壩建設期間,主要發揮導流功能。由于水庫的地勢所限,泄洪洞洞身段采用角度為46.66°、半徑30 m的彎曲形式,水庫施工期間最大導流量172m3/s;蓄水期的設計洪水流量和校核洪水流量分別為349.82和356.63m3/s。見圖2。

圖2 導流泄洪洞縱斷面示意圖及結構分布

本研究從庫水位-流量關系曲線、泄洪洞縱斷面體型設計、各部分指標的初始空化數以及出口消力池的流態消能效果,構建二塘溝水庫導流泄洪洞水力特性模型,設計模型比例尺1:30。在進行模型截取時,為保證其在橫向維度上滿足最高水位等高線和安全超高,縱向維度上不改變流態變化,故設計實驗范圍為上下游至壩軸線對應部分的180和700m處,并設計模型邊界高程大于最高庫水位和最高尾水位4m。

在數值模擬分析過程中,著重對明渠段、擴散段、消力池段進行模型分析,并借助流體力學理論設計數學模型。流體力學理論能對不同初始條件下的流動狀態以及對應的流體特性進行分析,其中流體流速增大會導致更多漩渦的出現,且此時的流線變化情況復雜,其不規則運動表現為湍流[10]。研究借助雷諾時均法-雙方程模型計算湍流,公式如下:

(1)

式中:ε為湍動耗散率;k為湍流動能;ρ為平均容積密度;μ、μt為分子與紊動黏滯系數;δk、δe分別為湍流普朗特數;C1ε、C2ε為方程常數;t為時間;G為動能;x為流場中的點。

同時,以自由表面追蹤流體體積(Volume of Fluid,VOF)模型計算流體交界面指標,公式如下[11]:

(2)

式中:f為體積比函數。

研究在泄洪洞全開時上游設計洪水位、泄洪流量及其對應的校核數值分別為1 475.06m、386.6m3/s、1 476.83m、393.5m3/s工況條件下進行,并進行網格劃分以及邊界條件的限定,以保證數值的計算效率和精度。見圖3。

圖3 數值模擬示意圖

對計算區域進行網格分割時,需要對每一條邊界及其類型進行定義,其中恒定流量下的泄流進口邊界包括上下兩部分,即壓強進口和速度入口。研究借助Gambit軟件進行劃分,以壁函數法對引水泄洪洞出口段無滑移現象下的黏性底層進行計算,速度入口邊界條件的參數則表示如下[12]:

(3)

式中:l為進口混合長度;Cμ為經驗常數;V為泄洪洞體積。

在導流汛期和蓄水期,導流泄洪洞存在流態較差和負壓情況,且空化水流較容易存在泄洪安全隱患,因此研究將實測水面線進行加高。對導流泄洪洞進行修改,見圖4。

圖4 導流泄洪洞修改方案示意圖

該方案將引洪洞消力池的底面降至1 395.00m,池的深度相應增加1.2m,并在陡坡之上進行拋物線形轉換,將基樁0+317.054～0+348.074與后面的斜溝進行相連,此時的坡度比為0.3670。

2 基于水力特性的二塘溝流域分流排洪應用結果分析

研究提出的改進方案在原方案的基礎上保留了左岸導流排洪洞在工作閘門流場分析。當水流經由洞身-明渠段時,其工作閘室擴散會導致水面出現下降,而后水流在明渠斷面上以折流的方式向前流動,并在流經拋物線后表現出流速增加且水流均勻。上游庫水位的增加會使導流泄洪洞的第五部分發生“水躍”情況,且該池中排出的水又會通過下降形式流入聯合退水渠,并在擴散后撞擊到退水渠的左側墻,削弱折沖水流現象,退水渠段的流態得到較大的改善。在庫水位分別為1 434.87和1 443.04m、流量為172.27和 230.69m3/s時,水面跌落約1.63和1.79m。對改進導流泄洪洞在汛期的水力參數進行分析,結果見表1。

表1 改進方案在汛期情況下的水力參數分析

由表1可知,在上游庫水位分別為1 434.87和1 443.04m、流量分別為172.27和230.69m3/s時,拋物線段的實測最大水深分別為3.22、3.33m,擴散段的實測最大水深分別為2.06、2.82m,消力池的實測最大水深分別為13.05、14.86m,消力坎頂端退水渠的實測最大水深分別為3.64、4.47m,聯合退水渠部分的實測最大水深分別為2.85、3.31m。消力池的邊墻高度18.0m,消力坎頂端退水渠的邊墻高度10.0m,聯合退水渠的邊墻高度7.0m,水深高度均在符合范圍內,表明該方案下的消力池內均能夠產生淹沒水躍,且對應邊墻高度滿足泄流要求。同時,對校核洪水位1 476.83m和設計洪水位1 475.06m下的方案蓄水期水力參數進行分析發現,上述泄洪洞的各部分能夠有效滿足泄洪標準和要求。

然后,對二塘溝水庫導流泄洪洞優化方案中的第三、第五和第六部分進行設計和校核洪水位兩種工況下的數據模擬與分析,以便更好地對改進水庫正常運行情況進行分析。借助Fluent 軟件,對工況條件下的水流態勢及水面線進行計算,結果見圖5。

圖5 設計及校核洪水位水流態勢及水面線計算情況

由圖5可知,兩種工況下的數值模擬結果與物理模型實驗中得到的結果基本一致,表明數值模擬的邊界條件是比較合理的。其中,校核水位估計情況與設計水位存在5.6%的偏差,其原因可能是在實驗過程中測量精度受到平視下的儀器偏差影響以及部分單獨測點的影響,但整體情況較為符合。

對高程情況進行分析,判斷在斷面不同部分的受力情況,結果見圖6。

圖6 設計及校準洪水位下高程結果對比

由圖6可知,在底板高程情況下,設計洪水位的模擬高程與實驗高程之間的走向大體一致,其僅在樁距為410～470m之間存在小于2%的偏差情況。校準洪水位下的模擬高程與實驗高程在樁距小于390m的走向基本一致,其僅在樁距為396～470m之間存在1.53%的偏差情況。整體情況表明,研究提出的改進方案能夠有效滿足水庫的高程要求。

對壓強情況進行分析,結果見圖7。

圖7 設計及校核洪水位下壓力及斷面流速

底板壓力是評價引水泄洪洞的一個主要參數,底板壓強變化與設計荷載具有重要關系,當計算值較小或為負的情況下,則需要優化體型設計,以減小混凝土表面的空蝕影響。

由圖7可知,兩種工況條件下的模擬實驗壓強值與實際值之間的整體誤差較小,其壓強變化呈現出先增大在進入退水渠后變小,壓強情況與庫水位整體情況相似,并未出現負壓情況。泄洪洞出口沿程4個樁段的斷面表面流速的測試值與計算值差值變動較小,誤差小于1%,有效反映出斷面沿程流速變化情況。

3 結 論

本文基于二塘溝流域水庫現狀,對其承擔泄水作用的導流泄洪洞進行仿真研究。結果顯示,在上游庫水位為1 434.87和1 443.04m、流速為172.27和230.69m3/s時,拋物線段、擴散段、消力池、消力坎頂端退水渠以及聯合退水渠的實測最大水深分別為3.22和3.33m、2.06和2.82m、13.05和14.86m、3.64和4.47m、2.85和3.31m,均在邊墻高度范圍內。模擬高程與實驗高程在設計洪水位下(樁距410～470m)存在小于2%的偏差,在校核洪水位下(樁距396～470m)存在1.53%的偏差。研究表明,二塘溝水庫導流泄洪洞改進方案滿足建設要求。