丁 磊

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

1 研究背景

在水利工程中，大壩的調(diào)度運(yùn)行需要由閘門進(jìn)行控制，合理的調(diào)度方式對大壩的泄流及防止洪澇災(zāi)害起著至關(guān)重要的作用。隨著工程運(yùn)行特點(diǎn)及要求的不同，其閘門運(yùn)行調(diào)度的方式也不盡相同。為了更好調(diào)節(jié)水庫上游水位進(jìn)行防洪消能，同時保證大壩安全運(yùn)行，對壩體閘門調(diào)度運(yùn)行研究顯得極為重要。

目前，許多學(xué)者通過試驗、數(shù)值模擬對閘門調(diào)度運(yùn)行進(jìn)行了研究。如車清權(quán)[1]等通過對三峽水利樞紐泄洪調(diào)度進(jìn)行水力學(xué)試驗研究，得到各孔按均勻、間隔、對稱的原則開啟閘門及對深孔和表孔泄洪調(diào)度優(yōu)化方案。張海光[2]等以華安水電站為例，通過建立物理模型研究多閘孔泄洪的水力特性，得到華安水電站啟閉泄洪優(yōu)化方案。關(guān)大瑋[3]等采用Flow-3d模擬高壩閘孔泄流的三維流場，將數(shù)值模擬值與物理模型試驗進(jìn)行對比，結(jié)果表明壩面水深、流速以及摻氣濃度都比較接近，模擬效果較好。李占松[4]通過對南水北調(diào)中線工程節(jié)制閘啟閉時相應(yīng)的控制運(yùn)行方式進(jìn)行研究，得出了合理的調(diào)度運(yùn)行方案。權(quán)新芳[5]通過對寶雞市攔河閘平板鋼閘門的運(yùn)行實(shí)踐進(jìn)行研究，提出科學(xué)的調(diào)度運(yùn)行方案。以上學(xué)者均從不同角度對大壩閘門調(diào)度運(yùn)行進(jìn)行研究，但對溢流壩閘門組合開啟方式的調(diào)度運(yùn)行研究還是很少。因此，本文針對多孔溢流壩水閘組合調(diào)度運(yùn)行方式進(jìn)行研究，以期為類似工程運(yùn)行管理提供理論基礎(chǔ)。

2 數(shù)學(xué)模型

本文以Flow-3d計算軟件中的RNGk-ε模型來模擬水流運(yùn)動，而VOF法在模擬自由表面上具有較好的追蹤性[6]。對于整個模型的域中某個單元網(wǎng)格，F(xiàn)=0代表單元網(wǎng)格無流體；F=0～1代表單元網(wǎng)格流體部分充滿；F=1代表單元網(wǎng)格流體全充滿[7]。網(wǎng)格劃分采用矩形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，平均網(wǎng)格單元為1 m，網(wǎng)格數(shù)量約為150萬。具體連續(xù)方程、動量方程、紊動能K及ε方程如下：

2.1 控制方程

連續(xù)方程：

動量方程：

紊動能k方程：

Gk-ρε

紊動能ε方程：

2.2 參數(shù)設(shè)置

邊界條件：上游進(jìn)水口設(shè)置流量邊界，下游出口設(shè)置自由出流邊界，模型正上方設(shè)置大氣壓力邊界，模型底部所在面采用固體邊界。

初始條件：溢流壩上游設(shè)置初始水位60 m，下游河道設(shè)置初始水位30 m，給定初始流量Q=600 m3/s。

2.3 模型驗證

為驗證數(shù)學(xué)模型的可靠性和準(zhǔn)確性，根據(jù)模型的實(shí)際參數(shù)，設(shè)定Q=600 m3/s三孔閘門全開進(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，具體見表1、圖1。

表1 閘孔流速

圖1 挑流水面線

表1是Q=600 m3/s時開啟三孔閘門開情況下，溢流壩閘孔實(shí)測平均流速和數(shù)值模擬結(jié)果對比，兩者誤差較小。圖1是Q=600 m3/s時開啟三孔閘門開情況下，溢流壩閘孔挑流水面線，在A、B、C 3個斷面處的水面線基本相似。

3 閘門組合開啟數(shù)值模擬

模型是三孔對稱閘門溢流壩，根據(jù)閘門組合開啟方式，可分為開啟1孔即開啟1號孔或2號孔、連續(xù)均勻開啟2孔即開啟1#2#孔(由于閘孔是對稱性，將開啟1#2#號工況等同于開啟2#3#號工況)、連續(xù)均勻開啟3孔即開啟1#2#3#孔，一共4種組合開啟方式。根據(jù)預(yù)設(shè)定的流量，在上游水位60 m、下游水位30 m情況下，溢流壩的閘孔從右岸到左岸依次編號為1#、2#、3#，具體見圖2。

圖2 溢流壩閘孔編號

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 流 態(tài)

在同一流量下，不同的閘門組合開啟會使壩面及水舌水流的形態(tài)發(fā)生變化。為了更好研究由于閘門組合開啟方式不同對水流形態(tài)的影響，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到如下流態(tài)圖，具體見圖3。

圖3 池流流態(tài)

由圖3可知，開啟1#閘孔，水流有邊墻的束縛在壩面擴(kuò)散程度較小，水舌入水厚度較厚且較遠(yuǎn)，主要集中在右岸側(cè)；開啟2#閘孔，水流沒有邊墻的束縛在壩面擴(kuò)散程度較大，水舌入水厚度較薄且較近，主要集中在左右岸中間；同時開啟2孔，即開啟1#2#閘孔水流受單一邊墻和自身水流影響，在壩面交匯擴(kuò)散程度較大，水舌入水厚度薄且近，主要集中在近右岸側(cè)；同時開啟3孔，即開啟1#2#3#閘孔水流受雙面邊墻和自身水流的影響，在壩面交匯擴(kuò)散程度最大，水舌入水厚度很薄且很近。

4.2 壩面壓強(qiáng)

溢流壩在不同的閘門組合開啟方式下，壩面的時均壓強(qiáng)都會不同。為了更好比較4種閘門組合開啟方式的效果，本文進(jìn)一步研究壩面壓強(qiáng)，具體見圖4。

根據(jù)圖4可知，對于同等流量下4種組合開啟閘門方式，沿水流方向壩面壓強(qiáng)均呈先減小后增大再減小穩(wěn)定的趨勢，其中最大壓強(qiáng)在壩頂處均為30 kPa，最小壓強(qiáng)在壩頂和反弧段之間的斜面處。而開啟1#閘孔、開啟2#孔、同時開啟1#2#閘孔壩面最小壓強(qiáng)均為0 kPa；同時開啟3孔壩面存在負(fù)壓，最小為-0.5 kPa。

圖4 溢流壩壩面時均壓強(qiáng)

4.3 消能率

對于水庫溢流壩泄流，不同的閘門組合開啟方式會有不同的挑流效果，影響挑流消能率。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果以及消能率公式：

式中：E1、E2為上下游總能量；H1、H2為上下游計算斷面的水深；ν1、ν2為上下游計算斷面的平均流速；α1、α2為上下游進(jìn)出口斷面流速修正系數(shù)，由于進(jìn)出口斷面流速相對較穩(wěn)定取1，具體見表2。

表2 不同開啟方式下水力特征

根據(jù)表2可知，對于同等流量下4種組合開啟閘門方式,消能率在32.07%～37.78%之間，同時開啟1#2#閘孔的挑流消能率最大為37.78%。

5 結(jié) 論

本文通過對這4種閘門組合開啟方式進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

1) 4種開啟方式下，開啟1#2#閘孔相對擴(kuò)散水流在壩面程度不大、較穩(wěn)定，消能率最大為37.78%。

2) 壩面壓強(qiáng)均沿水流方向呈先減小后增大再減小穩(wěn)定的趨勢，其中最大壓強(qiáng)在壩頂處均為30 kPa，最小壓強(qiáng)在壩頂和反弧段之間的斜面處。開啟1#閘孔、開啟2#閘孔、同時開啟1#2#閘孔壩面最小壓強(qiáng)均為0 kPa；而開啟3孔壩面存在負(fù)壓為-0.5 kPa，對壩面穩(wěn)定不利。

3) 綜合分析流態(tài)、壩面壓強(qiáng)、下游河道最大流速及消能率得出，選擇同時開啟1#2#閘孔進(jìn)行閘門調(diào)度運(yùn)行較優(yōu)。