婁詩(shī)建 高 遠(yuǎn)

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563000)

多級(jí)消能是解決低弗勞德數(shù)水流消能不充分的一個(gè)有效方法，但其復(fù)雜流態(tài)暫無(wú)有效水面計(jì)算方法確定水力學(xué)參數(shù)[1]，需要依靠水工模型試驗(yàn)[2]、FLOW-3D數(shù)值模擬[3]等對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。水工模型試驗(yàn)可以對(duì)溢洪道的流態(tài)、流速及水壓力分布和消能率進(jìn)行測(cè)試分析，以論證方案的可行性，并對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，但存在周期長(zhǎng)、測(cè)試工作量大和成本高等問(wèn)題，不太適用于大壩運(yùn)行和泄洪安全評(píng)價(jià)。而FLOW-3D數(shù)值模擬作為一種可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜物理?xiàng)l件下流場(chǎng)的全域模擬仿真并提供豐富信息的研究方法，已被廣泛應(yīng)用于水工水力學(xué)流態(tài)分析、水力機(jī)械內(nèi)部脈動(dòng)壓力等相關(guān)研究。已建鹽津橋水庫(kù)由于設(shè)計(jì)時(shí)泄洪建筑物未進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，加之溢洪道結(jié)構(gòu)體形復(fù)雜，現(xiàn)狀運(yùn)行時(shí)均采取保守的非正常運(yùn)行洪水調(diào)度方式，不僅水庫(kù)灌溉和發(fā)電功能不能正常發(fā)揮，而且一遇大洪水或超標(biāo)洪水時(shí)，調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)極大，急需進(jìn)行系統(tǒng)的大壩運(yùn)行和泄洪安全評(píng)價(jià)，確保水庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。鑒此，本文通過(guò)FLOW-3D軟件對(duì)鹽津橋水庫(kù)復(fù)雜溢洪道泄流能力和消能防沖進(jìn)行數(shù)值模擬和復(fù)核論證，旨在為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理人員解決復(fù)雜問(wèn)題提供支持。

1 工程概況

鹽津橋水庫(kù)位于貴州省仁懷市鹽津河中游，是赤水河一級(jí)支流鹽津河水利梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第四個(gè)梯級(jí)。壩址以上流域面積244km2，正常蓄水位650.0m，水庫(kù)總庫(kù)容3480萬(wàn)m3，水庫(kù)規(guī)模為中型。工程任務(wù)為灌溉和發(fā)電，設(shè)計(jì)灌溉面積3.5萬(wàn)畝，電站總裝機(jī)4000kW。大壩為混凝土砌塊石對(duì)數(shù)螺旋線雙曲拱壩，最大壩高100m。左岸開(kāi)敞式設(shè)閘溢洪道泄洪，堰頂高程644.60m，溢流凈寬7×5m，采用多級(jí)消能。泄洪建筑物消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，最大泄流量為787m3/s(P=3.33%)；校核水位最大泄流量為1570m3/s(P=0.1%)。

2 溢洪道結(jié)構(gòu)布置

溢洪道布置于大壩左岸，為開(kāi)敞式設(shè)閘溢洪道，包括引水渠段、溢流控制段、泄槽段和出口挑坎消能段等組成，全長(zhǎng)188.50m。溢洪道平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 溢洪道平面布置

控制段緊靠左壩肩重力墩布置，受地形地質(zhì)條件限制，泄槽段設(shè)平面轉(zhuǎn)彎段，中心方位角從N41.37°W轉(zhuǎn)N16.45°E。溢流總凈寬21m，共3孔，閘門尺寸為7.0m×5.0m(b×h)，堰型為駝峰堰，堰頂高程644.60m。泄槽段轉(zhuǎn)彎前溢流寬度為26.2m，轉(zhuǎn)彎后漸變?yōu)?4.6m。采用多級(jí)消能措施，堰頂下游設(shè)雙圓弧銜接，上游圓弧半徑為7.5m，下游圓弧半徑為25.0m，挑射角20°；中部采用消力塘消能，消力塘底板高程629.36m，池長(zhǎng)38.9m；后接陡槽段，陡槽坡比為1∶2.0；出口采用挑流消能，挑流鼻坎高程617.56m，反弧半徑15m，挑射角0°。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 仿真模型構(gòu)建

溢洪道采用多級(jí)消能，溢流面流線復(fù)雜[4]?！兑绾榈涝O(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2018)規(guī)定：矩形斷面彎道軸線的曲率半徑宜采用6～10倍泄槽寬度。受地形限制，采取急轉(zhuǎn)彎平面布置，軸線轉(zhuǎn)彎半徑僅為15m，轉(zhuǎn)彎角度57.82°。為評(píng)價(jià)大壩運(yùn)行和泄洪安全，需進(jìn)行泄洪能力及消能防沖等水力計(jì)算復(fù)核。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)合三維激光掃描地形圖測(cè)量，利用BIM相關(guān)軟件對(duì)溢洪道進(jìn)行三維實(shí)體建模。為減小過(guò)堰水流跌落影響，有效模擬實(shí)際泄洪狀態(tài)，仿真模型構(gòu)建時(shí)對(duì)上游引水渠段進(jìn)行了有效延長(zhǎng)，延伸長(zhǎng)度L>3B(B為進(jìn)水渠末端寬度)。溢洪道三維仿真模型見(jiàn)圖2。

圖2 溢洪道三維仿真模型

3.2 泄流能力復(fù)核

溢洪道堰頂高程644.60m，堰型為駝峰堰，溢流總凈寬21.0m，單孔寬度7.0m，共計(jì)3孔。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，上游堰高P1=2.5m，圓弧R1=6.25m，R2=14.12m。鹽津橋水庫(kù)溢洪道為低堰，則Hd=8.0m，堰型為a型，泄流計(jì)算公式為：

(1)

式中Q——流量，m3/s；

B——孔口總凈寬，B=21.0m；

ε——閘墩側(cè)收縮系數(shù)，ε=0.95；

H0——未計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭；

m——為流量系數(shù)，當(dāng)P1/H0>0.24時(shí)，m=0.414(P1/H0)-0.0652。

經(jīng)計(jì)算得鹽津橋水庫(kù)溢洪道泄流能力復(fù)核成果，見(jiàn)表1。

表1 溢洪道泄流能力復(fù)核成果

表1可知，各工況下溢洪道現(xiàn)狀最大下泄流量均小于允許下泄流量，泄流能力滿足要求。

3.3 消能防沖復(fù)核

3.3.1 FLOW-3D模擬仿真分析

鹽津橋水庫(kù)溢洪道結(jié)構(gòu)體形復(fù)雜，無(wú)有效的常規(guī)水力計(jì)算方法，大壩運(yùn)行和泄洪的安全評(píng)價(jià)運(yùn)用FLOW-3D軟件進(jìn)行仿真分析，采用RNG湍流模型。計(jì)算工況：①消能防沖工況(P=3.33%)，上游水位651.90m，設(shè)計(jì)下泄流量787m3/s；②校核工況(P=0.1%)，上游水位656.17m，設(shè)計(jì)下泄流量1570m3/s。仿真分析得流速和水深分布見(jiàn)圖3～圖8。

圖3 消能防沖工況流速分布

圖4 消能防沖工況水壓力分布

圖5 消能防沖工況流速剖面

圖6 消能防沖工況水壓力剖面

圖7 校核工況流速分布

圖8 校核工況水壓力分布

根據(jù)FLOW-3D數(shù)值模擬輸出成果，分析得消能工況下泄槽段典型斷面的水深及流速值(如表2)。

表2 消能工況泄槽段典型斷面水深及流速分析成果

通過(guò)FLOW-3D仿真分析，從流速和水深分布圖顯示及表2可知，消能防沖工況下，水流流態(tài)相對(duì)平穩(wěn)，消力塘消能效果明顯；校核工況下，水流流態(tài)紊亂，消力塘出口左岸有下泄水流溢出擋墻現(xiàn)象，左側(cè)邊墻存在超高不足問(wèn)題。

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2018)中的鼻坎挑流消能和跌流消能公式進(jìn)行計(jì)算，得下游挑流消能和跌流消能分析成果(如表3、表4)。

表3 下游挑流消能分析成果

表4 下游跌流消能分析成果

由表3和表4可知，根據(jù)FLOW-3D分析數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的鹽津橋水庫(kù)泄流能力和消能防沖復(fù)核成果為：?消能工況最大挑距為69.21m，挑坎出口至河對(duì)岸平面距離為73m，泄洪時(shí)不會(huì)沖刷岸坡；?校核工況最大挑距為83.0m，泄洪時(shí)存在沖刷岸坡現(xiàn)象，會(huì)危及對(duì)岸污水處理廠的運(yùn)行安全；?當(dāng)水庫(kù)通過(guò)小流量跌流泄洪時(shí)，射距為31.79m，水流基本挑落至下游沖坑，對(duì)挑坎邊坡影響較小。

3.3.2 分析成果對(duì)比

為驗(yàn)證FLOW-3D模型進(jìn)行消能防沖仿真分析的準(zhǔn)確可靠性，將數(shù)值模擬成果與《貴州省仁懷市鹽津橋水庫(kù)蓄水安全鑒定設(shè)計(jì)自檢報(bào)告》成果進(jìn)行對(duì)比分析。安全鑒定報(bào)告中；溢洪道消力塘出口陡坡段坡比為1∶1.8，末端采用挑流消能，反弧半徑15m，挑射角0°。受當(dāng)時(shí)條件限制，溢洪道泄槽段于2010年才實(shí)施完成，且實(shí)際施工中對(duì)溢洪道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，即：陡坡段坡比調(diào)整為1∶2.0，其余參數(shù)不變。各頻率洪水泄流能力和消能防沖分析成果如表5。

表3～表5對(duì)比分析可知，由于溢洪道施工時(shí)進(jìn)行了局部調(diào)整，且各階段計(jì)算方法不同，故計(jì)算成果存在一定差異性。但消能工況最大挑距相差僅2.4m，占原設(shè)計(jì)挑距的3.3%；校核工況最大挑距相差2.1m，占原設(shè)計(jì)挑距的2.6%。FLOW-3D仿真分析數(shù)據(jù)與原設(shè)計(jì)值相近，說(shuō)明數(shù)值模擬的模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置合理，分析獲得的水深和流速數(shù)據(jù)能夠滿足大壩運(yùn)行和泄洪安全評(píng)價(jià)的泄流能力和消能防沖計(jì)算要求，仿真分析數(shù)據(jù)成果合理、可信。

4 結(jié) 論

采用FLOW-3D軟件構(gòu)建RNG湍流數(shù)值模型，對(duì)已建鹽津橋水庫(kù)大壩不同工況下的泄流能力和消能防沖效果進(jìn)行模擬仿真分析，獲得大壩運(yùn)行和泄洪期的主要安全鑒定復(fù)核成果：溢洪道下游沖坑距大壩較遠(yuǎn)，約170m。沖坑薄層夾中厚層泥質(zhì)白云巖基礎(chǔ)抗沖刷能力較強(qiáng)，沖坑的發(fā)展對(duì)大壩安全影響較?。幌芄r下，消力塘內(nèi)能夠形成穩(wěn)定淹沒(méi)水躍，達(dá)到消能作用，溢洪道邊墻超高滿足泄洪要求；校核工況下，消力塘內(nèi)不能形成穩(wěn)定水躍，無(wú)法發(fā)揮消能作用。同時(shí)，消力池出口段左岸邊墻超高不滿足泄洪要求，下泄水流會(huì)對(duì)岸坡造成沖刷破壞，危及對(duì)岸污水處理廠的運(yùn)行安全。

鹽津橋水庫(kù)為中型水庫(kù)，為保證大壩長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行及下游防洪安全，繼續(xù)發(fā)揮灌溉和發(fā)電效益，后期需結(jié)合仿真分析成果輔助實(shí)體水工模型試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)論證，以期為水庫(kù)防洪策略制定和調(diào)度運(yùn)行提供更多數(shù)據(jù)支撐。