前坪水庫溢洪道過流能力數值模擬研究與應用

蘇曉玉，潘亞煒，蘇保印，潘 琨，王米米，李松平

（1.河南省科達水利勘測設計有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南省南陽市方城縣柳河鎮人民政府，河南 南陽 473200；3.山東中澤工程集團有限公司，山東 菏澤 274008；4.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003；5.河南省水利科技應用中心，河南 鄭州 450003）

1 工程概述

前坪水庫位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游，水庫控制流域面積1 325 km2，總庫容5.90億m3，為Ⅱ等大（2）型工程。溢洪道布置在左岸，軸線總長415 m，其中引水渠長度252 m，閘室段長度35 m，泄槽段長度116 m。堰頂高程403 m，共5孔，每孔凈寬15 m，閘室寬度87 m、長度35 m，下接泄槽段和消能段，消能方式采用挑流消能。文章數值模擬與物理模型試驗均利用3種特征工況洪水進行研究分析，如表1所示，主要研究溢洪道的泄流能力、水流流態、壓力分布、消能沖蝕等復雜的水力學問題。

2 模型構建

2.1 二維模型原理及算法

二維水動力計算模型基本原理如下。

連續方程：

動量方程：

上式中：q為單位面積的源匯強度；H為水深；Z為水位；u和v分別為垂向平均流速在x與y方向的分量；n為糙率；g為重力加速度；vT為水流湍動擴散系數；f0=2ω0sinψ為科氏力系數，ω0地球自轉角速度，ψ為計算區域的地理緯度；ρ為水流密度；u0、v0分別為水深平均源匯速度在x、y 方向的分量；τsx和τsy分別表示x、y 方向的水面風應力。計算過程中根據實際情況可以對數學模型進行適當簡化忽略風應力、地球科氏力的影響。

2.2 建模范圍及網格剖分

采用前坪水庫1:1 000比例尺CAD地形圖和溢洪道設計圖形作為地形資料進行模型構建。建模面積10.46 萬m2。網格剖分采用混合網格剖分法，溢洪道0-046斷面上游區域采用不規則三角形網格，網格面積控制在3 m2以內，0-046至0+000 斷面區域采用不規則四邊形網格，網格邊長控制在1 m以內，閘墩區域采用不規則三角形網格，網格面積控制在1 m2以內，閘墩以下區域采用不規則四邊形網格，網格邊長控制在1 m 以內，剖分后網格數67 819個，網格平均面積1.54 m2。

2.3 模型構建過程

首先通過arcgis 及MIKE 21 創建地形文件.mesh；然后在MIKE ZERO 中創建適用于非規則網格的.m21fm 文件；再確定邊界條件，文章計算上邊界為從溢洪道頂403 m至壩頂424 m，下邊界通過溢洪道設計資料切取了模型下邊界位置的橫斷面數據，網格干水深設為0.50 cm，淹沒水深為設為5 cm，濕水深設為10 cm；然后設置基本參數和水動力參數，模擬時間設為1 d，計算時間步長設為10 s，初始水深設為0，溢洪道混凝土糙率采用0.018，上游庫區天然地形糙率采用0.025；最后輸出模型計算結果包括洪水演進過程、洪水統計信息、流量過程。

3 數值模擬和物理試驗結果對比分析

3.1 水位泄量關系

前坪水庫溢洪道特征水位下設計、Mike數值模擬與模型比尺1∶50 水工模型試驗流量結果對比如表2 所示。在施放工況Ⅰ洪水時，數值模擬泄量為8 258 m3/s，水工模型試驗實測泄量為7 789 m3/s，差值為469 m3/s；在施放工況Ⅱ洪水時，數值模擬泄量為9 268 m3/s，水工模型試驗實測泄量為8 800 m3/s，差值為468 m3/s；在施放工況Ⅲ洪水時，數值模擬泄量為13 079 m3/s，水工模型試驗實測泄量為12 867 m3/s，差值為212 m3/s。從對比結果來看，在同等工況下，數值模擬流量比水工模型試驗結果偏大，但均滿足溢洪道的泄流能力要求。

表2 溢洪道特征水位下水工模型試驗實測數據與數值模擬流量結果對比表

3.2 流速分布

前坪水庫溢洪道特征水位下Mike數值模擬與水工模型試驗流速結果對比如表3所示。

表3 溢洪道特征水位下數值模擬結果與水工模型試驗實測流速對比表

在施放工況Ⅰ洪水時，Mike數值模擬平均流速范圍6.20～29.20 m/s，水工模型試驗實測平均流速范圍3.98～22.54 m/s；在施放工況Ⅱ洪水時，Mike 數值模擬平均流速范圍6.52～28.54 m/s，水工模型試驗實測平均流速范圍4.52～26.57 m/s；在施放工況Ⅲ洪水時，Mike 數值模擬平均流速范圍7.54～29.57 m/s，水工模型試驗實測平均流速范圍5.78～27.00 m/s。從對比結果來看，在同等工況下，流速數值模擬結果比水工模型試驗結果偏大。

3.3 沿程水面線

在3 種工況洪水下的Mike 數值模擬與水工模型試驗沿程水面線對比結果如圖1、圖2所示，同一工況下，Mike數值模擬溢洪道沿程水面線與水工模型試驗結果偏低。由于數值模擬的流量和流速都比水工模型試驗實測結果大和數值模擬參數設置不同引起的變化，使Mike 數值模擬沿程水面線比水工模型試驗實測結果偏低。

圖1 數值模擬計算水位圖

圖2 物理模型實測水位圖

4 結論

文章以前坪水庫溢洪道為例，基于MIKE21軟件對前坪水庫溢洪道的泄流能力、斷面流速和沿程水面線等水力性能進行了模擬，其結果與水工模型實測數據對比分析，結果證明：MIKE21軟件后處理分析功能中，在流場動態演示及動畫制作方面效果往往較好，在溢洪道過流能力數值模擬與水工模型實測值驗證過程方面稍有偏差，但基本吻合，均滿足設計要求，該研究成果為下一步水工模型試驗中數學模型的選取提供參考。