郭紅民，柳 滔，2，胡海松，伍學(xué)文，張 楊，楊 瑩，張淑梅

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002；2.廣西右江水利開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西南寧530000；3.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽合肥230000；4.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北武漢430000)

1 研究背景

閘門的調(diào)度運行是大壩管理中的一項重要工作，它不僅關(guān)系到水庫泄洪能力的問題，還對大壩的安全至關(guān)重要。在大壩閘門調(diào)度運行方面，此前已有大量研究，主要是針對閘門調(diào)度的機理[1- 2]、水庫泄流量大小[3]、控制上下游水位[4]等方面進行的研究，同時由于每個工程的特點不同，針對具體實際工程應(yīng)結(jié)合自身的特點、條件進行研究，對于像南甲水庫這樣多閘孔連續(xù)尾坎溢流壩閘門調(diào)度運行研究還很少。

鑒于閘門優(yōu)化調(diào)度工況組合多，成果精度高，若采用物理模型試驗則試驗周期長、花費高、且受模型縮尺及測試設(shè)備的影響，試驗成果精度難以保證，為此本文以實際工程南甲水庫泄洪試驗的成果為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬的方法，根據(jù)實際工程情況，在可能的調(diào)度范圍內(nèi)概括擬定了大(Q=900 m3/s)、中(Q=600 m3/s)、小(Q=300 m3/s)三級流量，在正常運行水位(560 m)下進行泄洪消能調(diào)度的研究，給出了各級流量時的優(yōu)化調(diào)度方案，同時總結(jié)了多閘孔連續(xù)尾坎消能的一些特征，可為類似工程的研究提供參考。

2 工程概況

南甲水庫位于貴州省劍河縣太擁鎮(zhèn)南東村，巫密河中游處，大壩為混凝土重力壩，壩軸線長168 m，由河床溢流壩段和兩岸非溢流壩段組成，水庫正常蓄水位560.00 m，溢流堰頂高程554.00 m，壩頂高程568.00 m，溢流壩段總長53 m，設(shè)4個中墩(厚2 m)分為5孔泄洪，單孔凈寬9.0 m，邊墩按8.0°向內(nèi)側(cè)收。采用連續(xù)尾坎挑流消能，反弧半徑為20.0 m，挑射角為15°，挑流鼻坎頂高程539.00 m。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 控制方程

連續(xù)方程

(1)

動量方程

(2)

紊動能k方程

(3)

紊動能耗散率ε方程

(4)

3.2 模型建立

數(shù)學(xué)模型是按南甲水庫的實際地形和工程構(gòu)造以1∶1的比例建立的。基于專業(yè)流體計算軟件Flow- 3D，采用RNGk-ε[5]模型，并結(jié)合VOF[6]法對閘門調(diào)度運行展開研究工作。整個模型采用矩形網(wǎng)格進行劃分，平均網(wǎng)格單元為1.83 m，網(wǎng)格數(shù)量約為100萬。對壩體部分及其上下游附近區(qū)域做嵌套加密，平均網(wǎng)格單元為0.28 m，網(wǎng)格數(shù)量約為1 500萬。

3.3 參數(shù)設(shè)置

(1)邊界條件。整體計算區(qū)域上方采用大氣壓邊界；進水口即上游所在面采用流量邊界；出水口即下游所在面采用自由出流邊界；模型底部所在面采用固體邊界。

(2)初始條件。壩體以上河道設(shè)定初始水位為560 m；壩體以下河道設(shè)定初始水位為530 m；進水口流量分為900、600、300 m3/s 3種計算工況。

3.4 模型驗證

為驗證數(shù)學(xué)模型的可靠性，將模擬結(jié)果與實測試驗結(jié)果進行對比論證。圖1為來流量為1 690 m3/s時五孔全開情況下壩體上游的水流流態(tài)，兩者基本相似；圖2為同工況下的閘孔挑流水面線，兩者基本吻合。表1是相應(yīng)挑流水舌的挑距和入水寬度，實測值與模擬值的相對誤差最大為6.47 %。同時還對壩面及下游河道相應(yīng)部位的流速大小及分布進行了驗證，所得結(jié)果吻合較好。綜上，所建數(shù)學(xué)模型滿足進一步研究的需要。

圖1 上游流態(tài)

圖2 挑射水流水面線

水舌特征實測值/m模擬值/m誤差/%挑距近左岸29.028.61.38中部38.637.04.14近右岸27.826.06.47入水寬度34.834.50.86

4 計算工況

根據(jù)物理模型試驗結(jié)果，在上游水位為正常水位(560 m)運行時，溢流壩5個閘孔的開度可調(diào)節(jié)范圍為0～6 m，相應(yīng)可調(diào)度下泄流量的范圍為0～1 086 m3/s，相應(yīng)平均單孔可調(diào)度下泄流量的范圍為0～237.2 m3/s，單孔閘門運行時的起挑流量約為26 m3/s，再考慮到下泄1、2、5 a和10 a一遇洪水時的相應(yīng)下泄流量分別為325、429、848 m3/s和1 250 m3/s，因此，本文在這一范圍內(nèi)擬定了大(900 m3/s)、中(600 m3/s)、小(300 m3/s)三級流量來進行數(shù)值模擬研究。

表2 下泄流量為300 m3/s時各工況水力特征

注：E1、E2分別為1- 1和2- 2斷面的能量，η=(E1-E2)/E1×100%，下同。

綜合以往研究成果，在流量為300 m3/s時，以少開孔原則進行多閘孔調(diào)度研究，即二孔、三孔，相應(yīng)閘門開度分別為2.42 、1.52 m。在流量為600 m3/s時，以少開孔和均開原則進行多閘孔調(diào)度研究，即三孔、四孔、五孔均開，相應(yīng)閘門開度分別為3.50、2.42、1.86 m。在流量為900 m3/s時，以少開孔和均開原則進行多閘孔調(diào)度研究，即四孔、五孔均開，相應(yīng)閘門開度分別為4.15、3.04 m。其中，開2個及以上閘孔時均為同步均勻開啟，且各閘孔開度一致。為減小計算工作量，考慮閘孔的對稱性特征，認為開啟2、3號閘孔和3、4號閘孔的效果相同，溢流壩的閘孔從右岸到左岸依次編號為1、2、3、4、5號，見圖3。

圖3 溢流壩閘孔編號

5 計算結(jié)果分析

在正常運行水位，下泄流量為300 m3/s情況下，水流從閘孔開始下泄，并在壩面逐漸發(fā)生擴散，相鄰兩孔的水流會在閘墩末端發(fā)生交匯，且交匯后的水流挑射距離比不交匯時有所增加，相隔一孔及以上時則不會發(fā)生交匯。下泄流量為300 m3/s時各工況水力特征見表2。由表2可知，隨著開孔數(shù)的增加，壩面所受最大負壓呈減小趨勢，從最大-0.31 kPa減小到-0.25 kPa，但都在規(guī)定允許的范圍內(nèi)。另外，消能率則隨開孔數(shù)的增加而增大，但增加不明顯，幅度在1.0%以內(nèi)。從下泄水流對下游的擾動和對河床的沖刷來說，隨著開孔數(shù)的增加情況趨好，流速從最大19 m/s減小到17 m/s，河床所受壓強從最大60 kPa減小到57 kPa。在開孔數(shù)一定時，對比各工況下的水力特征可得出閘門開啟的優(yōu)選方案，開二孔、三孔時的優(yōu)選分別為開2、3號(3、4號)或2、3、4號閘孔。但從挑距和經(jīng)濟性方面來說，只開2、3號(3、4號)孔挑距較遠，有利于減少壩基的沖刷，也更節(jié)省開啟和維護費用。

表3 下泄流量為600 m3/s時各工況水力特征

表4 下泄流量為900 m3/s時各工況水力特征

隨著下泄流量增加1倍(600 m3/s)，下泄水流間隔一孔時也會在尾坎處發(fā)生交匯，但交匯后的水流挑射距離有所增加但不明顯，相隔二孔及以上時則不會交匯。下泄流量為600 m3/s時各工況水力特征見表3。由表3可知，壩面所受最大負壓隨開孔數(shù)的增加呈減小趨勢，從最大-0.48 kPa減小到-0.37 kPa，較300 m3/s時有所增加，但仍都在規(guī)定允許的范圍內(nèi)；消能率則在開孔數(shù)由三增加到四時有所增大(幅度在1.0%以內(nèi))，在五孔均開時又有所減小；下泄水流對下游的擾動和對河床的沖刷則隨開孔數(shù)的增加而情況趨好，流速從最大19 m/s減小到18 m/s，河床所受壓強從最大66 kPa減小到62 kPa，但較300 m3/s時均有所增加。從水力特征上看，五孔均開的水力特征要比部分開三孔工況(工況17)和開四孔工況略差，建議開三孔或四孔即可。另外在開孔數(shù)一定時，對比各工況下的水力特征可得出閘門開啟的優(yōu)選方案，開三孔、四孔時的優(yōu)選方案為分別為開2、3、4，1、2、3、4(2、3、4、5)號閘孔。綜上考慮，五孔均開在600 m3/s時不占優(yōu)勢，從水力特征、閘門開啟的運行成本來看，最佳方案為開2、3、4號。

隨著下泄流量進一步增加(900 m3/s)，為保證滿足泄量，最少需開啟四孔泄流，此時各工況水力特征見表4。從表4可知，工況22、23中，由于下泄水流相對集中，下游河道流速及河床壓強顯著增加，不利于河床岸坡穩(wěn)定，而五孔均開(工況24)其水力特征都得到了較大改善，這說明在900 m3/s下的閘門調(diào)度，五孔均開優(yōu)勢明顯。

6 結(jié) 論

本文通過對南甲水庫多閘孔連續(xù)尾坎溢流壩閘門優(yōu)化調(diào)度運行的數(shù)值模擬研究，可得出如下結(jié)論：

(1)當水庫在正常蓄水位運行且下泄中小流量時，可根據(jù)需要及開啟便利，連續(xù)開啟或間隔開啟溢流壩中間2～3個閘孔進行泄洪相對有利，但無論連續(xù)開啟還是間隔開啟，均宜盡量保持各閘孔開度一致。

(2)當水庫在正常蓄水位運行且下泄較大流量時，由于下泄流量較大，為使水流均勻下泄，減小沖刷，宜5個閘孔全開泄洪較好，并應(yīng)盡量保持各閘孔的開度一致。

(3)對比三級流量下的消能率變化可知，消能率隨下泄流量的增加呈減小的趨勢，且在中小流量時減小趨勢不明顯，從小流量增加到中流量時減小幅度在5.0%左右，在流量較大時減小趨勢變大，從中流量增加到大流量時減小幅度可達到15.91%，這種規(guī)律可為類似工程在進行閘門優(yōu)化調(diào)度研究時提供參考。