丁旭

（ 黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司， 河南 鄭州 450003）

1 工程概況

RIO WELE河發(fā)源于加蓬境內(nèi)， 經(jīng)赤道幾內(nèi)亞入海，流域面積13 250 km2。 河源地海拔高程720 m，自東向西流經(jīng)赤道幾內(nèi)亞，最后注入大西洋，全長(zhǎng)361 km。

吉布洛上游調(diào)蓄水庫(kù)為大（ 1）型工程，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)[1]為500年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 000年一遇。

特征水位：

正常蓄水位：625.00 m。

設(shè)計(jì)洪水位：625.23 m；下游水位：606.22 m。

校核洪水位：626.27 m；下游水位：606.53 m。

水庫(kù)首部樞紐采取混合壩型式，河床壩段為混凝土泄洪建筑物，兩岸連接壩段為心墻堆石壩[2]，最大壩高50 m。 混凝土泄洪建筑物長(zhǎng)113 m，從左岸至右岸依次布置1個(gè)排漂壩段、3個(gè)表孔泄洪壩段[3]和3個(gè)底孔泄洪壩段組成，泄洪建筑物平面布置見圖1。

2 模型計(jì)算的目的

本工程泄洪建筑物的樞紐布置方案，具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

1） 混凝土泄洪建筑物與心墻堆石壩連接采用了混凝土心墻與土壩裹頭相結(jié)合方案。 采用此方案水庫(kù)在泄洪運(yùn)行過程中，存在順壩流問題，為了保證壩體安全，需要了解順壩流范圍以及裹頭各斷面流速分布情況。

2） 泄洪建筑物由底孔、 表孔和排漂道3種泄洪建筑物組成，具有泄量大，泄流條件復(fù)雜的特點(diǎn)，需驗(yàn)證各泄洪建筑物在給定工況下的泄量[4]。

3） 壩下游未作消能工，考慮利用巖石自身抗沖能力，僅考慮設(shè)置防沖護(hù)坦。 泄洪壩段下游流態(tài)對(duì)下游防護(hù)措施和防護(hù)的范圍確定至關(guān)重要。 因此，需了解泄洪建筑物下游流場(chǎng)的流速分布情況。

圖1 泄洪建筑物平面布置圖Fig. 1 The plan of the flood discharge structure

3 計(jì)算辦法

本文建立了耦合VOF（ volume of fluid）方法[5]的RNG k-ε模型。 用來(lái)模擬控制閘段的三維水流[6]流態(tài)。 RNG（ renormalization group）k-ε模型[7]是一種改進(jìn)的k-ε模型，基于多尺度隨機(jī)過程重整化思想，方程形式同標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相似， 模式常數(shù)由重整化理論算出，該模型可以更好的處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的波動(dòng)，適用于計(jì)算復(fù)雜水躍流態(tài)模擬。

4 模型的建立

1） 利用建模軟件建立計(jì)算區(qū)域的三維模型，如圖2所示。

2） 工況

本次主要進(jìn)行了校核洪水工況的計(jì)算。

5 流態(tài)分析

5.1 整體流態(tài)

上游水位為626.27 m，相應(yīng)下游水位為606.53 m，排漂壩段、表孔壩段及底孔壩段閘門全開。

圖2 泄洪壩段實(shí)體三維模型Fig. 2 The three dimensional solid model of the flood discharge structure

首部樞紐進(jìn)水流流態(tài)整體平順圖3， 右側(cè)回流沖刷裹頭部位后，越過擋土墻跌落至水躍前端如圖4所示。排漂壩段的流量為255 m3/s，表孔壩段的堰流流量為3 590 m3/s，底孔壩段的孔流流量為4 260 m3/s。

5.2 泄流流量

各壩段泄流流量見表1。

5.3 順壩流流速

5.3.1 大壩上游順壩流流速

左側(cè)裹頭上游部位順壩流流速在1.5 m/s以下，右側(cè)裹頭上游絕大部分部位順壩流流速在3.5 m/s以下，如圖5所示。 上游右側(cè)擋土墻[8]對(duì)3號(hào)底孔的進(jìn)流流態(tài)產(chǎn)生一定影響。 靠近3號(hào)底孔的擋土墻頂部的流速較大，局部最大流速達(dá)到5.5 m/s。

圖3 整體流態(tài)速度云圖1（ m/s）Fig. 3 The velocity cloud No.1 of the flow regime

表1 各壩段泄流流量統(tǒng)計(jì)Tab. 1 The discharge capacity of the flood discharge structure

圖5 壩上0-028.00斷面上游順壩流（ m/s）Fig. 5 The flow regime of the section（ D0-028.00）

5.3.2 大壩下游順壩流流速

泄流擴(kuò)散后在擋土墻墻后形成的回流，使下游裹頭部位產(chǎn)生順壩流，左側(cè)裹頭下游部位順壩流流速在2 m/s以下，右側(cè)裹頭下游部位順壩流流速在4 m/s以下，參見圖6。

圖6 壩下0+025.00斷面下游順壩流（ m/s）Fig. 6 The flow regime of the section（ D0+025.00）

5.3.3 大壩下游流場(chǎng)

經(jīng)過水躍消能， 池中底部流速由22 m/s減到12 m/s以下，壩下0+110.00 m斷面大部分流速在4～7 m/s，參見圖7。

圖7 壩下0+110.00、0+140.00、0+180.00斷面流速（ m/s）Fig. 7 The flow regime of the section（ D0+110.00，D0+140.00 and D0+180.00）

6 結(jié)論及建議

上游右側(cè)擋土墻對(duì)3號(hào)底孔的進(jìn)流流態(tài)產(chǎn)生一定影響。 靠近3號(hào)底孔的擋土墻頂部的流速較大，局部最大流速達(dá)到5.5 m/s， 裹頭部位的順壩流基本在2～3 m/s。

消力池兩側(cè)的擋土墻兼有導(dǎo)墻的功能，擋土墻布置應(yīng)考慮對(duì)水流的影響。

泄流進(jìn)入消力池[9]后，沿右側(cè)擋土墻水平擴(kuò)散，回流沖刷裹頭部位后， 越過擋土墻跌落到水躍前端。 排漂壩段左側(cè)部位也有類似流態(tài)，但因排漂壩段泄量小，不良流態(tài)較右側(cè)弱。

消力池末端水流局部流速達(dá)到12 m/s， 水流出消力池后流速在6 m/s左右，應(yīng)充分考慮河床的抗沖刷能力。

結(jié)合各部位流態(tài)分布情況，考慮采取以下工程措施消除目前存在的不良流態(tài)。

1） 增加右岸上游裹頭擋墻的高度，降低擋墻對(duì)3號(hào)底孔進(jìn)流流態(tài)的影響。

2） 增加下游表孔壩段和底孔壩段之間中隔墻的高度，避免泄洪時(shí)橫向流對(duì)泄洪的影響。

3） 加強(qiáng)下游兩岸裹頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免泄洪回水對(duì)裹頭造成的淘刷破壞。

4） 在護(hù)坦末尾設(shè)置深齒墻，避免泄洪較大流速對(duì)護(hù)坦結(jié)構(gòu)造成破壞。

通過三維數(shù)值模擬計(jì)算，充分了解各部位的流速分布和流態(tài)情況。 為更合理地確定樞紐總體布置和建筑物體型提供了依據(jù)，這個(gè)方法合理高效。

[1] 中華人民共和國(guó)水利部. SL252-2000水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2000.

[2] 中華人民共和國(guó)水利部. SL274-2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2002.

[3] 中華人民共和國(guó)水利部. SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2005.

[4] 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室. 水力計(jì)算手冊(cè)[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2006： 73-104.

[5] 李玲， 陳永燦， 李永紅. 三維VOF模型及其在溢洪道水流計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2007， 26（ 2）： 73-104.LI Ling，CHEN Yongcan，LI Yonghong.Three-dimensional VOF model and its application to the water flow calculation in the spillway[J]. Joural of Hydroelectric Engineering，2007， 26（ 2）： 73-104（ in Chinese）.

[6] 董壯. 三維水流數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)， 2002（ 3）： 66-72.DONG Zhuang. Advances in 3-D flow numerical simulation[J]. Hydro-Science and Engineering， 2002（ 3）： 66-72（ in Chinese）.

[7] 王遠(yuǎn)成， 吳文權(quán). 基于RNG k-ε湍流模型鈍體繞流的數(shù)值模擬[J]. 上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2004， 26（ 6）： 15-19.WANG Yuancheng， WU Wenquan. Numerical simulation of flow around blunt bodies using RNG k-ε turbulence model[J]. Joural of University of Shanghai for Science and Technology， 2004， 26（ 6）： 15-19（ in Chinese）.

[8] 中華人民共和國(guó)水利部. SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2007.

[9] 孫永娟， 孫雙科. 高水頭大單寬流量底流消能技術(shù)研究成果綜述[J]. 水力發(fā)電， 2005， 31（ 8）： 70-73.SUN Yongjuan， SUN Shuangke. Summary on research results of underflow energy dissipation technology with high head and large unit-width discharge[J]. Water Power，2005， 31（ 8）： 70-73（ in Chinese）.