李慧超

(韶關市曲江區(qū)水利工程建設與防御服務中心，廣東 韶關 512000)

1 工程概況

由于粵北地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不平衡，特別是脫貧攻堅剛剛走完第一程，有效鞏固脫貧攻堅成果乃是地區(qū)發(fā)展的重要保障。從水利安全性角度考慮，在粵北清遠北江流域新建一淺層水庫，可有效緩解地區(qū)用水緊張問題。設計水庫總庫容為2200萬m3，設計輸水灌渠長度為45 km，建設供水中樞調(diào)壓塔結構3～4座，進、出水口最大設計流量為50 m3/s，且按照沖淤排沙要求，在各過流口均設置有排沙閘或攔污柵等水工設施，其中距離輸水灌渠首最近調(diào)壓塔設計有攔污柵，作為凈化水質(zhì)第一道防線，攔污柵剖面為網(wǎng)格狀，采用水工幕墻式設計結構，柵墩厚度為1.2 m，可承受動水壓力與拉應力耦合作用，設計墩身上最大壓強可達1.2 MPa。另在北江擬建水庫距離清遠市區(qū)為95 km，樞紐工程包括防洪大壩、泄洪閘、溢洪道及引水工程等，其中主壩體最高為35.2 m，采用混凝土重力式大壩與土石壩組合形式，壩頂寬度為3 m，采用防滲面板與止水薄膜防滲系統(tǒng)，確保全壩體最大滲透坡降不超過0.25，但由于本工程中水庫幾何形狀還未確定，故上游水頭壓力及庫邊緣對壩體滲透沖擊等均存在不確定性。

溢洪道采用弧形階梯式溢流面，由于溢洪道的設計與水庫下游聯(lián)系性更強，因而水庫剖面幾何形態(tài)對溢洪道體型設計并無顯著影響，該溢洪道共有22級階梯式溢流面，溢流面中部采用多坎高式設計，有效減弱水力沖擊作用對下游水工結構沖蝕效應。引水工程目前已隨輸水灌渠的前期建設逐步投入運營，但其引水效率最大化仍與水庫幾何剖面中勢能最高處有關。泄流口包括有泄洪閘與支臂式弧形閘門，其中閘口凈寬為3.5 m，采用多孔式結構設計，閘門面板厚度為0.4 m，設計最大開度為寬度的95%，最大泄流量可達158 m3/s，整個水庫流域內(nèi)共有4個泄流口，此為北江擬建水庫最大泄流口，位于水庫東北角，該泄流口也由于水庫幾何形狀等原因，其攔沙結構與滲流通道體型設計均處于待優(yōu)化狀態(tài)，圖1即為典型模型試驗研究的水庫泄流口設計[1]。針對性研究泄流口處水力特征與水沙演變對推動安全泄洪、有效泄洪具有重要意義。

圖1 水庫泄流口模型試驗設計示意圖

2 仿真分析

根據(jù)對北江擬建水庫工程場地踏勘分析，并結合已有文獻研究成果可知[2]，水庫地形剖面類型主要有三種，如圖2所示。此三種剖面形狀與水庫地形、中軸線夾角等密切相關，本文主要以凸形水庫、直形水庫、凹形水庫作為分析對象，研究三種剖面形狀水庫下泄流口處水力特性與含沙特征。

圖2 水庫地形剖面類型

根據(jù)三種不同幾何剖面形狀，分別在各方案水庫的最佳泄流口處展開分析，泄流口分別位于OZ軸正方向最大處，所有幾何剖面方案水庫中均以常規(guī)底緣前后傾45°閘門作為擋水結構，支臂式閘門體型如圖3所示。

圖3 支臂式閘門體型

利用ANSYS建立泄流口模型概化圖，如圖4所示，研究范圍涉及泄流口過流閘門上、下游長度2.5 m，另在過流上游按照水質(zhì)凈化要求，設置有攔污柵結構，下游消能擋墻結構位于軸線距離5 m 遠處。本文采用Fluent滲流計算平臺進行網(wǎng)格劃分，共獲得微單元體336 826個，節(jié)點數(shù)26 852個，閘門按照一級防滲設計。上游攔污柵結構與過流閘門均按照水平向自由度邊界條件設置，僅法向方向具有調(diào)整，泄流口兩側(cè)邊緣均視為約束零變形條件。由三種幾何剖面形狀水庫的泄流分析可知，在各自幾何剖面上所能發(fā)生的最大泄流分別為設計標準值(158 m3/s)的60%、75%、90%，故三種方案在計算過程中所能承擔的最大泄流量分別為94 m3/s、118 m3/s、142 m3/s。本文為方便單一變量因素分析，所有水庫泄流量方案均設定為70 m3/s、100 m3/s、130 m3/s，過流閘門開度均按照泄流口正常運營下最大開度設定。來水流量中初始含沙量按照北江平均值4 kg/m3設定，基于上述三種幾何剖面開展水力特性與水沙特征對比分析。

圖4 閘門整體模型概化

3 水庫幾何形狀與水力特性關系

3.1 水位變化特征

根據(jù)對三種幾何形狀水庫泄流口水力特征參數(shù)計算，獲得不同流量工況下泄流口處上、下游各斷面水位變化特征，如圖5所示。

從圖中可知，三種流量工況下泄流口處水位均在過閘區(qū)段處發(fā)生較大波幅，特別是隨上游流量增大，過閘水位降幅愈顯著；以A類凸形水庫為例，當上游流量為70 m3/s時，在過閘口處水位最大降幅為18%，而流量為100 m3/s、130 m3/s時，相應的降幅分別可達27.5%、32.9%。此種現(xiàn)象在B、C類剖面形狀水庫中依然如此，但對比之下C類凹形水庫水位在過閘處降幅最大，在上游流量70 m3/s、130 m3/s時分別可達86.7%、92.1%。分析表明，當上游流量愈大，不同幾何剖面形狀水庫泄流口過閘水位降幅愈大，但C類凹形剖面水庫在較大“進水口”基礎上，降幅最顯著。對比泄流口上游段水位特性可知，在相同流量下，以C類凹形水庫水位最大，流量100 m3/s工況中，在上游距離閘門80 m處C類凸形水庫泄流口水位為45.3 m，而A、B類水庫水位較前者分別減少了56.7%、36.7%；從上游水位整體來看，在流量100 m3/s下A、B類剖面水庫水位較C類整體上分別具有差幅53.7%～58.5%、33.3%～36.9%；而C類剖面水庫的上游斷面在流量70～130 m3/s下平均水位特征值分別為22.86 m、31.91 m、45.43 m，流量100 m3/s 下A、B類水庫平均水位特征值較之分別減少了32.5%、56.3%。由此表明，C類凹形水庫泄流口阻流、摩擦效應較弱，對水流進入泄流口限制較弱，有助于提升泄流口工作效率[3]。從過閘后下游水位變化可知，三種不同幾何剖面形狀水庫泄流口水位特征與上游趨勢有所扭轉(zhuǎn)，A、B類凸形水庫在下游斷面上具有更高的水位，流量70 m3/s下該兩類水庫在該區(qū)間斷面上平均水位特征值分別可達8.48 m、5.6 m，而C類型水庫較前者分別減少了66.6%、49.5%，此種差異隨來水流量增大后，差異有所減小。筆者認為，A、B類水庫設計最大泄流量分別為94 m3/s、118 m3/s，而當來水流量接近設計最大值后，泄流口處下游水流受到大量的促進、激發(fā)，進而表現(xiàn)水位較大。另一方面，下游水位增大的同時，也導致了下游水位起伏較大，流量100 m3/s中A類、B類水庫在下游斷面上最大波幅分別超過26.5%、8.5%，此也與泄流量接近設計最大值有關。綜合分析討論認為，A、B類幾何剖面水庫泄流口上游進水口能力弱于C類，過閘控制能力以C類水庫更顯著，而下游水位穩(wěn)定程度同樣以C類剖面水庫為佳。

圖5 各斷面上水位變化特征

3.2 閘門壓強特征

為分析不同幾何剖面形狀水庫泄流口過閘斷面水流壓強變化特征，在閘門面板上分別設定有8個測點，如圖6所示，基于面板上不同測點處壓強特征，獲得水庫幾何剖面形狀對泄流口閘門面板壓強影響變化，如圖7所示。

圖6 計算測點示意圖

圖7 閘門上壓強變化特征

從壓強變化特征可知，在低流量70 m3/s下A、B類型水庫壓強分別在第5#測點處發(fā)生顯著下降態(tài)勢，而高流量130 m3/s下A、B類型水庫在第4#測點即發(fā)生顯著下降，相比低流量下測點有所提前。對比三種幾何形狀水庫的泄流口閘門面板壓強特征可知，愈靠近面板頂部，則壓強愈低，流量70 m3/s下A類型水庫在1#、2#測點處壓強分別為27.98 kPa、25.80 kPa，而8#測點處壓強較前者分別減小了82.6%、81.1%，在A類型水庫泄流閘門面板上壓強隨測點平均降幅為21.1%，而B、C類水庫的平均降幅分別為32.7%、46.2%。筆者認為，當水庫幾何剖面設計形狀更利于泄流口通流時，閘門面板上壓強較小，且更具整體性，面板承受抗壓效果更佳，此也印證了C型水庫更有利于控制過閘流量。從壓強分布可知，在相同流量70 m3/s下，C類型水庫壓強分布為0.036～14.870 kPa，而A、B類水庫泄流口壓強較前者分別具有增幅88.1%～13.2倍、53.1%～2.5倍；與之同時，流量增大后，各類型水庫泄流口壓強減小，A類型水庫在流量130 m3/s下減少了26.1%～37.1%，而B、C類型水庫相比分別減少了13.7%～36.1%、9.1%～27.5%，且高流量下C類型水庫中具有長距離的零壓強分布，即C類型水庫泄流口面板在高流量下開度與設計值契合于上游流量。

4 水庫幾何形狀與水沙特征關系

水沙特征是泄流口沖淤排沙的重要體現(xiàn)，而水庫幾何剖面形狀對此具有重要影響，本文根據(jù)三種幾何剖面形狀水庫泄流口設計，設定流量100 m3/s，獲得不同運營累計年限下泄流口全斷面上含沙量變化特征，如圖8所示。

從圖中可知，相同流量下運營累計年限愈大，則含沙量愈大，A類型水庫在運營累計100d時全斷面上含沙量分布為0.63～1.74 kg/m3，而運營年限200d、400d下泄流口斷面含沙量較之分別增大了8.5%～27.2%、59.3%～79.8%；從含沙量平均特征值可知，A類型水庫在運營100d時含沙量平均值為1.07 kg/m3，而運營年限每增大100d，則含沙量平均參數(shù)值可增長22.4%，而B、C形狀水庫泄流口斷面含沙量平均值的增幅分別為28.3%、17.5%，表明C類型水庫含沙量受運營年限影響較小，有助于提升工程設計壽命與運營標準[4]。對比三種類型水庫泄流口的含沙量可知，不論運營年限高或低，均以C類凹形水庫的泄流口斷面含沙量水平最低，在運營年限第200d時A類型水庫泄流口含沙量分布為0.80～1.96 kg/m3，斷面平均值為1.23 kg/m3，而C類水庫中斷面含沙量較A類減少了58.5%，當運營年限增大至300 d、400 d、500 d后，C類型水庫泄流口斷面平均含沙量相比A、B類型水庫的差幅越來越大，即運營年限愈長，更能體現(xiàn)C類凹形水庫排沙的效果。從泄流口斷面上含沙量變化特征可知，同一種幾何剖面水庫泄流口在不同運營年限下含沙量變化特征基本一致，如A類型水庫泄流口在斷面0～1.05 m上緩增，當斷面超過1.05 m，進入下游后，含沙量陡增態(tài)勢顯著；B類水庫泄流口斷面含沙量變化轉(zhuǎn)折點位于距離1.05 m處；這兩種類型水庫都由于幾何剖面限制泄流原因，導致排沙效果欠佳，因而在斷面上含沙量呈現(xiàn)階梯式分段態(tài)勢，C類型水庫全斷面上含沙量變化較穩(wěn)定，無階梯分段效應。綜合認為，A、B類型水庫泄流口斷面含沙量不僅受運營年限影響較大，且具有階梯層次效應，C類型水庫沖沙效果及含沙量分布更為理想。

圖8 泄流口軸線斷面距離上含沙量特征

5 結 論

(1)流量增大，各類型水庫泄流口過閘水位降幅愈顯著，C類水庫降幅最大；泄流口上游段C類水庫水位最大，A、B類水庫平均水位特征值較之分別減少56.7%、36.7%；泄流口下游水位以A、B類最大，但水位起伏最顯著，最大波幅分別超過26.5%、8.5%。

(2)愈靠近面板頂部，壓強愈低，三種形狀水庫泄流口閘門面板壓強隨測點平均降幅分別為21.1%、32.7%、46.2%；C型水庫泄流口更利于控制過閘流量，流量70 m3/s下A、B類水庫面板壓強比C類增大88.1%～13.2倍、53.1%～2.5倍；流量增大，閘門面板壓強減小，C型水庫在流量130 m3/s下具有零壓強分布。

(3)同一種水庫泄流口含沙量隨運營年限變化基本一致，且均為增大態(tài)勢，三種類型水庫含沙量平均值100 d平均增長分別為22.4%、28.3%、17.5%，A、B類水庫具有階梯變化效應，C類水庫全斷面變化穩(wěn)定；C類水庫含沙量水平最低，且隨運營年限與A、B類水庫的差距增大。