王永成，周 濤

（江西省水務(wù)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000）

1 引言

近幾年，由于洪水的影響而導(dǎo)致水工結(jié)構(gòu)建筑發(fā)生破壞越來(lái)越多[1]，泄洪建筑是水工建筑上游用來(lái)排泄多余洪水、保護(hù)其下游水利樞紐的重要結(jié)構(gòu)。泄洪建筑物[2，3]主要有溢洪道、溢流壩、泄水口等類型，針對(duì)不同的水文地質(zhì)條件與泄洪要求需要選擇合適的泄洪建筑形式，因此研究泄洪建筑在運(yùn)行過(guò)程以及施工[4，5]過(guò)程中的水力學(xué)特性、分析當(dāng)?shù)厮鳁l件對(duì)泄洪建筑的影響便成為研究重點(diǎn)之一，并且研究結(jié)果將對(duì)保護(hù)水利樞紐的水工結(jié)構(gòu)建筑有重要的意義。

本文建立泄洪底孔結(jié)構(gòu)模型并采用有限元軟件模擬其水力特性，將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比以驗(yàn)證模擬的可靠性，并研究不同工況下泄洪底孔水力特性的差別。

2 數(shù)值計(jì)算模型

如圖1所示，某水電站泄洪底孔的計(jì)算區(qū)域建立坐標(biāo)系。X軸為水流方向，取上游35.000 m斷面到下游187.300 m斷面為計(jì)算區(qū)域；Y軸為水流斷面方向，取值為0～46 m；Z軸為水位高程，取值為1 230.0～1 294.0 m。上游計(jì)算域的左邊界為速度入口（水流項(xiàng)）及壓力入口（空氣項(xiàng)），其中速度為v=0.44 m/s，總壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，上邊界為壓強(qiáng)入口。

圖1 計(jì)算模型

計(jì)算模型中的泄洪底孔主要有兩部分組成：有壓段和明渠段。利用有限元軟件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，其中有壓段如圖2所示，明渠段如圖3所示，明渠段的側(cè)墻部分為20 m。

圖2 有壓段網(wǎng)格劃分

圖3 明渠段網(wǎng)格劃分

分別設(shè)置設(shè)計(jì)工況（水位為1 282 m）與校核工況（水位為1 282.64 m），將兩個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果分別與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，可以使對(duì)泄洪底孔的水力學(xué)模擬結(jié)果更加可靠。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 水面線與水流流態(tài)

由于數(shù)值模擬得到的水面線是一個(gè)具有水-氣二相的界面，因此在結(jié)果分析中利用體積分?jǐn)?shù)作為水面線的表現(xiàn)形式。從圖4中可以很容易看出，設(shè)計(jì)工況下（圖a）的水面線分布情況與校核工況下（圖b）的水面線基本相同，因此可以說(shuō)明模型選用比較可靠，工況的設(shè)置也符合實(shí)際。

圖4 不同工況水面線

為進(jìn)一步驗(yàn)證有限元軟件在模擬結(jié)果的可靠性，將泄洪底孔在閘門全開狀態(tài)下經(jīng)過(guò)模擬得到的流量與實(shí)驗(yàn)得到的流量列入表1進(jìn)行對(duì)比。由表1可知，無(wú)論是設(shè)計(jì)工況還是校核工況，有限元軟件的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差很小。對(duì)于設(shè)計(jì)工況，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差為1.64%，而校核工況下的誤差與設(shè)計(jì)工況相比更小，僅有1.61%。這個(gè)結(jié)果更加進(jìn)一步證明了有限元軟件模擬的可靠性。

表1 泄洪底孔流量

3.2 沿程水位分布

圖5展示了明渠段設(shè)計(jì)工況以及校核工況下在y=23 m處不同斷面的實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)水位和模擬計(jì)算水位對(duì)比。圖中不難發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)工況圖5（a）中的實(shí)測(cè)水位與模擬所得水位相差不大，隨著斷面向X軸向不斷延伸，實(shí)測(cè)水位先由1 240 m逐漸減小，在85.600 m斷面出達(dá)到最小值，隨后水位逐漸增大但整個(gè)過(guò)程中的水位均小于設(shè)計(jì)洪水水位高度，計(jì)算所得水位同樣由1 240.1 m開始先逐漸減小，不同的是，在76.600 m斷面處達(dá)到最小值，隨后與實(shí)測(cè)水位變化規(guī)律相同逐漸增大，整個(gè)過(guò)程中的水位均小于設(shè)計(jì)洪水水位高度。

圖5 明渠段沿程水位

校核工況圖5（b）中的實(shí)測(cè)水位與計(jì)算所得水位也相差不大，隨著斷面向X軸正向的不斷延伸，實(shí)測(cè)水位由1 240 m逐漸減小，并在85.600 m斷面處達(dá)到最小值，隨后水位逐漸增大，計(jì)算所得水位由1 240 m為起始水位并逐漸減小，在與實(shí)測(cè)水位相同的斷面位置處達(dá)到最小值，隨后與實(shí)測(cè)水位變化規(guī)律相同逐漸增大。在模擬以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，水位均小于校核洪水水位高度，設(shè)計(jì)工況下實(shí)測(cè)水位與模擬水位的平均誤差為0.05 m，校核工況下的平均誤差為0.03 m，都在可接受范圍內(nèi)，因此說(shuō)明模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整體擬合性較好，模擬得到的結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.3 壓強(qiáng)水頭沿程分布

圖6展示了在y=23 m處整個(gè)縱剖面在范圍內(nèi)不同斷面處兩個(gè)工況下壓強(qiáng)水頭的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值。

圖6 沿程壓強(qiáng)水頭

圖6（a）中可以得到，設(shè)計(jì)工況下壓強(qiáng)水頭沿縱剖面，在有壓段先逐漸減小，在明渠段內(nèi)達(dá)到最小后沿縱剖面逐漸增大，再一次達(dá)到頂峰后轉(zhuǎn)而逐漸減小，在縱剖面的邊緣處達(dá)到負(fù)值。從圖6（a）中可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值和模擬值在有壓段擬合的比較好，曲線基本重合，但在明渠段，雖然實(shí)測(cè)值和模擬值的壓強(qiáng)水頭規(guī)律曲線走勢(shì)基本相同，但是每個(gè)斷面的模擬值均偏大，兩條曲線的擬合度不如有壓段的擬合度高，設(shè)計(jì)工況下實(shí)測(cè)值與模擬值誤差最大的斷面在x=95.6 m處，誤差達(dá)到16.6%。

從圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)，校核工況下沿縱剖面的壓強(qiáng)水頭曲線規(guī)律與設(shè)計(jì)工況相同，即先逐漸減小，在明渠段內(nèi)達(dá)到最小值后沿縱剖面逐漸增大，達(dá)到明渠段內(nèi)的壓強(qiáng)水頭最大值后逐漸減小，并且在縱剖面的邊緣處達(dá)到負(fù)值。從圖6（b）中可以發(fā)現(xiàn)，與設(shè)計(jì)工況相似，實(shí)測(cè)值和模擬值在有壓段的擬合度優(yōu)于明渠段的擬合度，不同的是，校核工況下實(shí)測(cè)值與模擬值誤差最大的斷面在x=73.6 m處，誤差達(dá)到18.9%。

明渠段發(fā)生上述實(shí)測(cè)值與模擬值誤差較大的主要原因，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)于壓強(qiáng)的測(cè)量只是定點(diǎn)測(cè)量，即只能測(cè)量泄洪底孔結(jié)構(gòu)某個(gè)點(diǎn)的壓強(qiáng)，而在數(shù)值模擬中得到的結(jié)果是某一個(gè)斷面的壓強(qiáng)平均值，因此必然會(huì)有一定的誤差。

3.4 流速的沿程分布

表2、表3給出了不同斷面處設(shè)計(jì)工況與校核工況下的實(shí)測(cè)流速與模擬流速以及兩者之間的誤差。從表2、表3中可以明顯發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)流速普遍小于模擬流速。設(shè)計(jì)工況下的流速誤差最大為-2.12%，發(fā)生在斷面3處；校核工況下流速的最大誤差為-2.4%，發(fā)生在斷面5的位置處。與壓強(qiáng)相同，產(chǎn)生流速誤差的最大原因是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)測(cè)的流速為某一測(cè)點(diǎn)的流速，而模擬過(guò)程得到的流速是某一斷面的流速，總體上，流速之間的誤差在可接受范圍內(nèi)。

表2 設(shè)計(jì)工況流速

表3 校核工況流速

從圖7中可以得到，無(wú)論是設(shè)計(jì)工況還是校核工況，在明渠段內(nèi)，泄槽水流流速比較平穩(wěn)，明渠內(nèi)的近壁面處由于受到壁面的阻力影響使得流速很小，而遠(yuǎn)離壁面的位置流速比較大，在挑流鼻坎最高處流速最大，這是由于挑流鼻坎的最高處為尖端，會(huì)產(chǎn)生流速的突然增大現(xiàn)象。

圖7 明渠段流速云圖

4 結(jié)論

本文利用有限元軟件對(duì)泄洪底孔進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算模擬，設(shè)置設(shè)計(jì)工況與校核工況，將兩個(gè)工況下的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)論如下：

（1）模擬得到的設(shè)計(jì)工況與校核工況下的水面線分布基本一致，說(shuō)明選取的計(jì)算模型并沒有偶然性，并且發(fā)現(xiàn)挑流鼻坎的設(shè)置有效的降低了下游處的水面線。

（2）明渠段內(nèi)無(wú)論是設(shè)計(jì)工況還是校核工況，實(shí)測(cè)水位高度與模擬水位基本吻合，兩條曲線擬合較好，在明渠段，水位基本呈現(xiàn)先緩慢減小然后逐漸增大的趨勢(shì)。

（3）有壓段和明渠段內(nèi)的兩個(gè)工況的壓強(qiáng)水頭曲線的發(fā)展趨勢(shì)相同，兩個(gè)工況下有壓段內(nèi)的實(shí)測(cè)壓強(qiáng)與模擬壓強(qiáng)曲線擬合比明渠段內(nèi)的兩條曲線擬合度高。有壓段入口處的壓強(qiáng)最大，而出口處的壓強(qiáng)比較小，對(duì)于明渠段，在反弧區(qū)的壓強(qiáng)有所增大，在挑流鼻坎頂端壓強(qiáng)出現(xiàn)負(fù)值，這是由于水流在此處脫離了坎頂并形成了空腔。

（4）在明渠段內(nèi)，泄槽水流流速比較平穩(wěn)，明渠內(nèi)靠近壁面處的水流流速較小，而遠(yuǎn)離壁面的水流流速比較大，并且在挑流鼻坎的最高點(diǎn)，水流流速達(dá)到最大值。