蘇曉玉，潘亞煒，蘇保印，潘 琨，王米米，李松平

（1.河南省科達(dá)水利勘測設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南省南陽市方城縣柳河鎮(zhèn)人民政府，河南 南陽 473200；3.山東中澤工程集團(tuán)有限公司，山東 菏澤 274008；4.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003；5.河南省水利科技應(yīng)用中心，河南 鄭州 450003）

1 工程概述

前坪水庫位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游，水庫控制流域面積1 325 km2，總庫容5.90億m3，為Ⅱ等大（2）型工程。溢洪道布置在左岸，軸線總長415 m，其中引水渠長度252 m，閘室段長度35 m，泄槽段長度116 m。堰頂高程403 m，共5孔，每孔凈寬15 m，閘室寬度87 m、長度35 m，下接泄槽段和消能段，消能方式采用挑流消能。文章數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)均利用3種特征工況洪水進(jìn)行研究分析，如表1所示，主要研究溢洪道的泄流能力、水流流態(tài)、壓力分布、消能沖蝕等復(fù)雜的水力學(xué)問題。

2 模型構(gòu)建

2.1 二維模型原理及算法

二維水動(dòng)力計(jì)算模型基本原理如下。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

上式中：q為單位面積的源匯強(qiáng)度；H為水深；Z為水位；u和v分別為垂向平均流速在x與y方向的分量；n為糙率；g為重力加速度；vT為水流湍動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；f0=2ω0sinψ為科氏力系數(shù)，ω0地球自轉(zhuǎn)角速度，ψ為計(jì)算區(qū)域的地理緯度；ρ為水流密度；u0、v0分別為水深平均源匯速度在x、y 方向的分量；τsx和τsy分別表示x、y 方向的水面風(fēng)應(yīng)力。計(jì)算過程中根據(jù)實(shí)際情況可以對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行適當(dāng)簡化忽略風(fēng)應(yīng)力、地球科氏力的影響。

2.2 建模范圍及網(wǎng)格剖分

采用前坪水庫1:1 000比例尺CAD地形圖和溢洪道設(shè)計(jì)圖形作為地形資料進(jìn)行模型構(gòu)建。建模面積10.46 萬m2。網(wǎng)格剖分采用混合網(wǎng)格剖分法，溢洪道0-046斷面上游區(qū)域采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格面積控制在3 m2以內(nèi)，0-046至0+000 斷面區(qū)域采用不規(guī)則四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長控制在1 m以內(nèi)，閘墩區(qū)域采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格面積控制在1 m2以內(nèi)，閘墩以下區(qū)域采用不規(guī)則四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長控制在1 m 以內(nèi)，剖分后網(wǎng)格數(shù)67 819個(gè)，網(wǎng)格平均面積1.54 m2。

2.3 模型構(gòu)建過程

首先通過arcgis 及MIKE 21 創(chuàng)建地形文件.mesh；然后在MIKE ZERO 中創(chuàng)建適用于非規(guī)則網(wǎng)格的.m21fm 文件；再確定邊界條件，文章計(jì)算上邊界為從溢洪道頂403 m至壩頂424 m，下邊界通過溢洪道設(shè)計(jì)資料切取了模型下邊界位置的橫斷面數(shù)據(jù)，網(wǎng)格干水深設(shè)為0.50 cm，淹沒水深為設(shè)為5 cm，濕水深設(shè)為10 cm；然后設(shè)置基本參數(shù)和水動(dòng)力參數(shù)，模擬時(shí)間設(shè)為1 d，計(jì)算時(shí)間步長設(shè)為10 s，初始水深設(shè)為0，溢洪道混凝土糙率采用0.018，上游庫區(qū)天然地形糙率采用0.025；最后輸出模型計(jì)算結(jié)果包括洪水演進(jìn)過程、洪水統(tǒng)計(jì)信息、流量過程。

3 數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)結(jié)果對比分析

3.1 水位泄量關(guān)系

前坪水庫溢洪道特征水位下設(shè)計(jì)、Mike數(shù)值模擬與模型比尺1∶50 水工模型試驗(yàn)流量結(jié)果對比如表2 所示。在施放工況Ⅰ洪水時(shí)，數(shù)值模擬泄量為8 258 m3/s，水工模型試驗(yàn)實(shí)測泄量為7 789 m3/s，差值為469 m3/s；在施放工況Ⅱ洪水時(shí)，數(shù)值模擬泄量為9 268 m3/s，水工模型試驗(yàn)實(shí)測泄量為8 800 m3/s，差值為468 m3/s；在施放工況Ⅲ洪水時(shí)，數(shù)值模擬泄量為13 079 m3/s，水工模型試驗(yàn)實(shí)測泄量為12 867 m3/s，差值為212 m3/s。從對比結(jié)果來看，在同等工況下，數(shù)值模擬流量比水工模型試驗(yàn)結(jié)果偏大，但均滿足溢洪道的泄流能力要求。

表2 溢洪道特征水位下水工模型試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬流量結(jié)果對比表

3.2 流速分布

前坪水庫溢洪道特征水位下Mike數(shù)值模擬與水工模型試驗(yàn)流速結(jié)果對比如表3所示。

表3 溢洪道特征水位下數(shù)值模擬結(jié)果與水工模型試驗(yàn)實(shí)測流速對比表

在施放工況Ⅰ洪水時(shí)，Mike數(shù)值模擬平均流速范圍6.20～29.20 m/s，水工模型試驗(yàn)實(shí)測平均流速范圍3.98～22.54 m/s；在施放工況Ⅱ洪水時(shí)，Mike 數(shù)值模擬平均流速范圍6.52～28.54 m/s，水工模型試驗(yàn)實(shí)測平均流速范圍4.52～26.57 m/s；在施放工況Ⅲ洪水時(shí)，Mike 數(shù)值模擬平均流速范圍7.54～29.57 m/s，水工模型試驗(yàn)實(shí)測平均流速范圍5.78～27.00 m/s。從對比結(jié)果來看，在同等工況下，流速數(shù)值模擬結(jié)果比水工模型試驗(yàn)結(jié)果偏大。

3.3 沿程水面線

在3 種工況洪水下的Mike 數(shù)值模擬與水工模型試驗(yàn)沿程水面線對比結(jié)果如圖1、圖2所示，同一工況下，Mike數(shù)值模擬溢洪道沿程水面線與水工模型試驗(yàn)結(jié)果偏低。由于數(shù)值模擬的流量和流速都比水工模型試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果大和數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置不同引起的變化，使Mike 數(shù)值模擬沿程水面線比水工模型試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果偏低。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算水位圖

圖2 物理模型實(shí)測水位圖

4 結(jié)論

文章以前坪水庫溢洪道為例，基于MIKE21軟件對前坪水庫溢洪道的泄流能力、斷面流速和沿程水面線等水力性能進(jìn)行了模擬，其結(jié)果與水工模型實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果證明：MIKE21軟件后處理分析功能中，在流場動(dòng)態(tài)演示及動(dòng)畫制作方面效果往往較好，在溢洪道過流能力數(shù)值模擬與水工模型實(shí)測值驗(yàn)證過程方面稍有偏差，但基本吻合，均滿足設(shè)計(jì)要求，該研究成果為下一步水工模型試驗(yàn)中數(shù)學(xué)模型的選取提供參考。