沟水坡水库溢洪道弯道水流数值模拟.pdf

科研成果 苏晓玉 李松平 王米米 等 沟水坡水库溢洪道弯道水流数值模拟 水利发展研究 ():():沟水坡水库溢洪道弯道水流数值模拟苏晓玉 李松平 王米米 崔洪涛 潘 琨 袁吉娜 贺 爽(河南省科达水利勘测设计有限公司 河南 郑州 河南省水利科技应用中心河南 郑州 河南省水利勘测有限公司 河南 郑州 河南科源水利建设工程检测有限公司 河南 郑州)摘要:溢洪道是确保水库安全的“太平门”水库工程的关键组成部分 其设计和布置合理与否 直接影响到水工建筑物的安全 为了验证沟水坡水库溢洪道除险加固方案设计合理性和优化的可能性 基于沟水坡水库溢洪道模型试验水面线实测数据 采用 数值仿真方法 结合 水气两相流模型和 湍流模型 对不同工况洪水下沟水坡水库溢洪道水面线进行模拟模拟结果与沟水坡水库溢洪道模型试验实测数据吻合较好 验证了数值仿真具有较高的精度 在此基础上 对不同工况下沟水坡水库两级跌水消能段的水位流量关系、水流流态等水力特性进行模拟 分析原设计方案存在的问题 进一步提出优化方案 为后期工程除险加固提供了重要参考关键词:水力特性 数值模拟 流速 流量 模型试验:/开放科学(资源服务)标识码():中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:河南省水利科技攻关计划项目()作者简介:苏晓玉()女 高级工程师 学士 主要从事水力学、河长制工作的研究:通信作者:李松平()男 高级工程师 总工 硕士 主要从事水力学、防洪减灾与河长制工作的研究:():水利发展研究第 卷 年第 期 :引言国家高度重视水库除险加固工作 溢洪道作为水工建筑物的泄流设施 其设计的合理性不仅关乎建筑物整体的安全 而且影响到工程投资 水库除险加固施工前 如何根据当地地质情况选择合理的溢洪道形式设计显得尤为重要 在传统的溢洪道设计中 其结构布置通常遵循因地制宜原则 常选择直线、等宽、对称设计以保证水流平顺 然而实际工程中 受地形条件和工程造价等因素的影响 溢洪道常设置收缩段和扩散段 或者设计成圆弧弯道形式 弯曲溢洪道在下泄洪水时受到指向凸岸离心力的作用 使得凸岸水深超高 断面流量分布不均匀 甚至产生溢槽险情 严重影响工程安全 因此 结合实际工程 分析弯道水流运动特性 提供弯道水流改善措施 具有重要的工程意义沟水坡水库位于河南省灵宝市大王镇境内的黄河支流好阳河下游 是一座以防洪、灌溉为主 结合发电、养殖等综合利用的中型水库 由于地形限制 沟水坡水库溢洪道既有较多的收缩段和扩大段 又有多处弯道段 结构相对复杂 为洪水下泄带来诸多不利因素 因此 需根据沟水坡水库初设方案 通过研究其水流运动特性 对溢洪道设计进行合理性分析 目前 我国对溢洪道弯道水流提出了较多的改善措施 如 王家厂水库通过设置分流墩 改善了入库水流流态 施工简单 淡溪水库通过在弯道上设置分流墩 减小了冲击波的发展降低了左右岸水面高度差 卡群一级电站泄水陡坡通过设置导流板和消能栅 消除了下游水流折冲现象 东周水库通过在弯曲轴上设置导流墙 减小了弯道缓流的不均匀现象 此外 等采用弗劳德数、台阶高度和溢洪道坡度三个参数对阶梯式溢洪道的水流水深进行研究 提出了水面线的计算公式 通过以上研究可以看出 通过设置导流墙或者导流墩 可以明显改善弯道水流流态然而受上游来流量的影响 导流墙和导流墩对于弯道水流调节范围有限 如何根据沟水坡水库特有的地形 提出收缩扩大段及弯道段的水流改善措施十分重要目前对于溢洪道水流特性研究 大致可以分为理论分析、原位观测和物理模型试验以及数值模拟等方法 理论分析方法主要通过研究水流流动的规律 进行方程的推导 得出水流运动的规律但采用理论分析方法进行研究时 常常需要对高解方程或者偏微分方程进行求解或者积分 对于研究者的数学水平有较高的要求 因此常规的工程设计一般不采用该方法 相对于理论分析 原位观测和物理模型试验方法是最传统和应用较广的方法 具有较高的准确性 但是模型试验选取的比例尺较小 受到的干扰因素较多 一个小的测量误差 在原型上经过比例尺放大后 会影响到试验的准确性 数值模拟方法是上世纪六七十年代随着计算机技术的高速发展 使得人们可以通过计算机软件求解描述流体运动的 方程 计算完成后可以得到完整的流场信息 进行分析计算的时间相对较少 相比于模型试验节省资金 本文以沟水坡水库为例 采用计算流体力学 软件 基于 湍流模型、水气两相流模型 对该水库溢洪道进行数值模拟 通过对比分析模拟值与试验测量值 发现数值仿真具有较高的精度 在此基础上 采用数值仿真的方法研究了沟水坡水库溢洪道的水流流态 根据计算结果分析了原设计方案出现的问题 对原设计方案进行改科研成果 进 并采用数值仿真的方法进行了验证 讨论了阶梯式溢洪道流场结构、压强场、消能效果等指标以丰富具有大转角条件下阶梯溢洪道的研究 为相关工程设计提供借鉴数学模型 溢洪道结构沟水坡水库总库容 万 设计洪水标准为 年一遇 校核洪水标准为 年一遇 溢洪道位于大坝左岸 为无闸控制开敞式宽顶溢流堰 溢洪道工程主要由引渠段、溢流堰段、陡坡段、消能工段和尾水渠段组成 如图 所示 根据水利部水利水电工程等级划分及洪水标准溢洪道泄水建筑物级别为 级 消能防冲工程防洪标准按 年一遇洪水设计 经调洪演算 年一遇水位为 溢洪道下泄流量为 /不同标准特征水位流量如表 所列图 沟水坡水库溢洪道结构设计表 不同特征水位流量参 数工 况汛限水位正常蓄水位 年一遇 年一遇 年一遇特征水位/设计流量/几何模型数值仿真模型与溢洪道尺寸一致 采用 软件建立沟水坡水库溢洪道三维几何模型模型试验过程中发现 消力池和末端尾水渠部分由于边墙设计高度不足 年一遇洪水条件下消力池和尾水渠末端均出现溢槽现象 故对数值仿真模型中消力池和尾水渠边墙进行了加高处理 消力池部分加高 尾水渠部分加高 加高后的溢洪道三维结构如图 所示 采用 软件对计算区域进行网格划分 计算网格采用四面体非结构化网格 网格总数 个三维湍流模型 采用 算法求解流场 捕捉自由水面 控制方程根据质量守恒定律 在固定的流体区域范围内 连续流体的质量变化率应当等于区域表面流体的净通量 由此可以得到连续性方程 ()式中 为流体密度()为流体速度场根据动量守恒定律 在固定的流体区域范围内 连续流体的动量变化率应当等于区域内质量力和表面力之和 由此得到动量方程 ()()式中 为压力()为流体应力场 为流体区域中的外力流体应力场 中各应力分量 可由下式计算得到()()边界条件计算区域的进口采用流量进口 根据设计流量给定一系列的进口流量值 出口边界条件设置为自由出流 空气入口边界为自由水面以上的空气入口 空气进口边界采用压力入口 指定其参考压强为标准大气压 侧墙和渠道底部设置为无滑移壁面边界 等分别对标准 模型、模型等 个湍流模型进行了模拟通过与试验实测值对比 得到 个模型模拟值均与试验值相吻合 其中 模型更适合于近壁区域 故紊流模型采用 三维湍流模型采用 算法求解流场 捕捉自由水面溢洪道三维结构设计 如图 所示结果分析 模拟结果与试验结果对比分析为了验证数值仿真的精确度 分别对 年一水利发展研究第 卷 年第 期 图 溢洪道三维结构遇、年一遇和 年一遇洪水条件下的计算值与物理模型实测值进行了对比 从对比结果来看 年一遇和 年一遇洪水条件下 溢洪道水面线模拟值与实测值最大偏差为 差异性较小 模拟精度较高 年一遇洪水条件下尾水渠段模拟值与实测值最大偏差为 偏差相对较大 但这种细小的差别对整体水面线的影响较小 由此可知 数值仿真具有较高的精度 可采用数值仿真的方法对原设计方案进行针对性的修正 中轴线水面线与实测结果对比 如图 所示图 中轴线水面线模拟与实测对比 水位流量关系分析溢洪道水位流量变化时 溢洪道上游部分可做宽顶堰处理 由于该工程上游部分存在弯道段 体型复杂 当有桥墩的影响时 水流流进堰口后 在桥墩附近位置过流断面宽度小于堰宽 同时也增加了局部水头损失 造成堰的过流能力降低产生侧收缩现象 因此在计算堰流流量时 还要考虑侧收缩影响 水位流量关系较为复杂 侧收缩的影响用收缩系数表示 非淹没有侧收缩的宽顶堰溢流量为 ()式中 为流量系数 为堰宽 为收缩系数 为堰上水头分析不同工况下水位 流量数据 得出水位流量关系如图 所示 经拟合分析得出 年一遇、年一遇和 年一遇 种工况下水位流量关系函数 ()可供泄洪时参考使用图 水位流量关系曲线 陡坡段水流流态由于溢洪道前端为弯道段 弯曲段内水流受离心力的作用 当水流流经弯道段时 表面水流从右科研成果 岸向左岸流动 这种横向流动破坏了横断面上水深均匀分布的状况 使得外侧水深大于内侧水深而形图 不同特征流量下溢洪道水流流态成水面超高 此时 断面内流量分布不均 水流流态趋于复杂 当下泄流量较大且为急流时 由于渠槽的边墙偏折 迫使水流转变方向 在偏转点的下游将产生一系列扰动波 波动菱形交叉 形成冲击波 年、年、年一遇洪水溢洪道水面分布如图 所示 在 年一遇洪水水流经由弯道段进入溢流堰段后 由于渠道断面束窄 下泄洪水过程中溢洪道表面形成菱形水流 随着流量的增加 水流受到上游弯道段的影响 流量在单位宽度上分配不均匀 导致溢流堰段菱形水流不稳定 致使菱形水流向右岸迁移 对于 年一遇洪水 溢洪道边墙高度满足行洪需求 但对于 年一遇洪水 溢洪道右岸水位高度大于左岸 将出现溢槽险情 消力池水流流态不同工况下消力池水面分布如图 所示 从图 中可以看出 对于 年、年一遇洪水条件下的水流 水流进入消力池区域后产生淹没式水跃消力池消能效果明显 但是由于消力池边墙高度的限制 上游跌落的水流产生的能量巨大 水流在消力池内急剧翻滚 在 年一遇洪水工况下 左边墙有水流溢出 年一遇工况下 消力池末端左右两岸均出现溢槽险情 年一遇工况下 消力池消能效果不显著从数值仿真结果可知 原设计方案的溢洪道陡坡段边坡高度可满足 年一遇和 年一遇洪水的行洪要求 对于 年一遇洪水 边坡高度不满足行洪需求 溢洪道右岸会出现溢槽险情 由于水跃影响范围大 年一遇洪水条件下左岸部分区段出现溢槽现象 年一遇洪水条件下消力池左右两岸部分区段均出现溢槽险情 年一遇洪水条件下消力池全部区段均出现溢槽险情 因此需要对原设计方案进行修改 年一遇洪水条件下左岸水面最大高程为 按照 年一遇洪水设计要求 增加左右两岸边坡高程不应低于该高程值 年一遇洪水条件下 弯道海漫段未出现溢槽现象 但弯道海漫段与尾水渠段左岸衔接部分出现急剧收缩段 受到海漫段来流的影响 该区域在 年一遇洪水条件下出现溢槽险情 需要对该区段边坡进行加高溢洪道设计方案改进 方案设计加高边墙会大幅度增加工程成本 为了降低工程投入 最大程度上降低溢槽现象 以 年一遇洪水设计标准作为参考 对原设计方案做修改 年一遇洪水工况 在引水渠弯道段的作用下 单宽流量分布不均匀 呈现出左岸大右岸小的现象 加水利发展研究第 卷 年第 期 图 不同特征流量下消力池水流流态上溢洪道进口收缩段的影响 菱形水流行进过程中向右迁移 在斜槽内形成横向翻滚现象 导致左岸出现溢槽险情 因此 解决方案为在溢洪道上设置两级跌坎 一方面破坏溢洪道菱形波的形成 重新调节流量在横断面的分布 另一方面使下泄水量在溢洪道内形成多级跌水消能 降低斜槽内水流的翻滚 最大程度上减小溢槽险情的出现 具体设计如图 所示 改进结果分析 年一遇洪水工况下 改进方案的水流流态与原设计方案对比 如图 所示 从图中可以看图 两级跌水消能溢洪道结构布置图 两级跌水消能设计方案与原设计方案流态对比出 采用两级跌水消能的方案与原设计方案相比一部分能量在溢洪道段被削减 当水流进入到消力池内 水流翻滚混掺程度减弱 流态相对稳定 左右岸边墙均未出现水流溢槽险情 并且斜槽内的水流与海漫段水流平顺衔接 效果比较理想 两级跌水消能方案的水面线在溢洪道陡坡段水位高程明显增加 但仍不会出现溢槽现象 消力池段内明显降落 未出现溢槽险情 尾水渠段水面线较为平顺科研成果 但受末端山体回水的影响 水位高程仍高于原设计方案的边墙高度两级跌水及设计方案与原设计方案流速分布对比 如图 所示 图中显示 水流在溢洪道内进入第一级跌坎是最大流速为 /进入第二级跌坎最大流速为 /由第二级跌坎进入到消力池最大流速为 /相比原方案溢洪道水流进入斜槽内的最大流速为 /流速明显减小 两级跌坎消能效果显著 水流经消力池和海漫段后 进入尾水渠 水流在尾水渠最大流速为 /比原设计方案尾水渠流速(/)更大图 两级跌水消能设计方案与原设计方案流速对比溢洪道压强分布如图 所示 从图中可以看出 水流落在水垫塘内 塘底承受的压力较大 由于塘深较浅 下泄水股直冲矩形墩 塘底板和矩形墩承受的压力更大 经计算 水垫塘和矩形墩表面承受的最大压强值为 在进行水垫塘底面矩形墩配筋的设计时 需要加强 从图中可以看出消力池内水压强最大值为 比原设计方案压强 显著降低图 沟水坡水库溢洪道压力分布结论()基于 水气两相流模型 对沟水坡水库水力特性进行了计算 数值仿真具有较高的精度通过分析分析不同工况下水位 流量数据 得出水位流量关系 经拟合分析得出 年一遇、年一遇和 年一遇 种工况下水位流量关系函数可供泄洪时参考()原设计方案的溢洪道陡坡段边坡高度可满足 年一遇和 年一遇洪水的行洪要求 对于 年一遇洪水 边坡高度不满足行洪需求溢洪道右岸会出现溢槽险情 年一遇、年一遇及 年一遇洪水条件下消力池均出现溢槽现象()为了解决 年一遇洪水工况下消力池内水流溢槽问题 提出了两级跌水消能设计方案 与原设计方案相比 新设计方案的水流流态、水面线、流速和压力均明显改善 左右岸边墙均未出现水流溢槽险情 并且斜槽内的水流与海漫段水流平顺衔接 效果比较理想 可作参考参考文献:王韧 张方坤 大中型水库防洪调度常见问题分析及对策研究 治淮():吴斯优 不同流量下水工建筑物排水结构消能研究 水利科技与经济 ():董玉莲 弯曲溢洪道多级跌水与底流复合消能研究 大连:大连理工大学 高学平 井书光 贾来飞 溢洪道弯道水流影响因素研究水力发电学报 ():卞祖铭 徐庆华 淡溪水库溢洪道弯道水流的改善措施浙江水利科技():邱秀云 侯杰 陡坡弯道体型水力特性的试验研究 新疆水利发展研究第 卷 年第 期 农业大学学报():罗俊彪 小水库溢洪道除险加固水力模型试验研究 广东水利水电():():周斌斌 凤炜 阶梯溢洪道水力特性试验及数值模拟 水资源与水工程学报 ():李建波 李礼 张峰水库溢洪道水力特性三维数值模拟太原理工大学学报 ():吴彰松 闸坝下游冲刷坑形态三维数值模拟 杨凌:西北农林科技大学 许光卓 方坤 吴琼等 基于数值模拟的密云水库第一溢洪道改建方案渗控优化研究 水利水电技术(中英文)():沙海飞 周辉 吴时强 等 多孔溢洪道泄流三维数值模拟 水利水电技术():李翠玲 唐少容 王红雨 整体式 形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏力学模型 水利水电技术 ():水利部水利水电规划设计总院 长江勘测规划设计研究有限公司 水利水电工程等级划分及洪水标准()北京:水利部水利水电规划设计总院 ()():/():():吕宏兴 裴国霞 杨玲霞 水力学 北京:中国农业出版社 董玉莲 刘亚坤 孙洪亮 等 弯曲溢洪道多级跌水与底流复合消能研究 水利与建筑工程学报():(责任编辑康健)