王永成,周 濤
(江西省水務(wù)集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330000)
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。
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。
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(kāi)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
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(kāi)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)。
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。
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
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(méi)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。