赤道几内亚吉布洛上游调蓄水库泄洪建筑物流态三维模拟计算

丁旭

（ 黄河勘测规划设计有限公司， 河南 郑州 450003）

1 工程概况

RIO WELE河发源于加蓬境内， 经赤道几内亚入海，流域面积13 250 km2。 河源地海拔高程720 m，自东向西流经赤道几内亚，最后注入大西洋，全长361 km。

吉布洛上游调蓄水库为大（ 1）型工程，设计洪水标准[1]为500年一遇，校核洪水标准为10 000年一遇。

特征水位：

正常蓄水位：625.00 m。

设计洪水位：625.23 m；下游水位：606.22 m。

校核洪水位：626.27 m；下游水位：606.53 m。

水库首部枢纽采取混合坝型式，河床坝段为混凝土泄洪建筑物，两岸连接坝段为心墙堆石坝[2]，最大坝高50 m。 混凝土泄洪建筑物长113 m，从左岸至右岸依次布置1个排漂坝段、3个表孔泄洪坝段[3]和3个底孔泄洪坝段组成，泄洪建筑物平面布置见图1。

2 模型计算的目的

本工程泄洪建筑物的枢纽布置方案，具有以下几个显著特点：

1） 混凝土泄洪建筑物与心墙堆石坝连接采用了混凝土心墙与土坝裹头相结合方案。 采用此方案水库在泄洪运行过程中，存在顺坝流问题，为了保证坝体安全，需要了解顺坝流范围以及裹头各断面流速分布情况。

2） 泄洪建筑物由底孔、 表孔和排漂道3种泄洪建筑物组成，具有泄量大，泄流条件复杂的特点，需验证各泄洪建筑物在给定工况下的泄量[4]。

3） 坝下游未作消能工，考虑利用岩石自身抗冲能力，仅考虑设置防冲护坦。 泄洪坝段下游流态对下游防护措施和防护的范围确定至关重要。 因此，需了解泄洪建筑物下游流场的流速分布情况。

图1 泄洪建筑物平面布置图Fig. 1 The plan of the flood discharge structure

3 计算办法

本文建立了耦合VOF（ volume of fluid）方法[5]的RNG k-ε模型。 用来模拟控制闸段的三维水流[6]流态。 RNG（ renormalization group）k-ε模型[7]是一种改进的k-ε模型，基于多尺度随机过程重整化思想，方程形式同标准k-ε模型相似， 模式常数由重整化理论算出，该模型可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的波动，适用于计算复杂水跃流态模拟。

4 模型的建立

1） 利用建模软件建立计算区域的三维模型，如图2所示。

2） 工况

本次主要进行了校核洪水工况的计算。

5 流态分析

5.1 整体流态

上游水位为626.27 m，相应下游水位为606.53 m，排漂坝段、表孔坝段及底孔坝段闸门全开。

图2 泄洪坝段实体三维模型Fig. 2 The three dimensional solid model of the flood discharge structure

首部枢纽进水流流态整体平顺图3， 右侧回流冲刷裹头部位后，越过挡土墙跌落至水跃前端如图4所示。排漂坝段的流量为255 m3/s，表孔坝段的堰流流量为3 590 m3/s，底孔坝段的孔流流量为4 260 m3/s。

5.2 泄流流量

各坝段泄流流量见表1。

5.3 顺坝流流速

5.3.1 大坝上游顺坝流流速

左侧裹头上游部位顺坝流流速在1.5 m/s以下，右侧裹头上游绝大部分部位顺坝流流速在3.5 m/s以下，如图5所示。 上游右侧挡土墙[8]对3号底孔的进流流态产生一定影响。 靠近3号底孔的挡土墙顶部的流速较大，局部最大流速达到5.5 m/s。

图3 整体流态速度云图1（ m/s）Fig. 3 The velocity cloud No.1 of the flow regime

表1 各坝段泄流流量统计Tab. 1 The discharge capacity of the flood discharge structure

图5 坝上0-028.00断面上游顺坝流（ m/s）Fig. 5 The flow regime of the section（ D0-028.00）

5.3.2 大坝下游顺坝流流速

泄流扩散后在挡土墙墙后形成的回流，使下游裹头部位产生顺坝流，左侧裹头下游部位顺坝流流速在2 m/s以下，右侧裹头下游部位顺坝流流速在4 m/s以下，参见图6。

图6 坝下0+025.00断面下游顺坝流（ m/s）Fig. 6 The flow regime of the section（ D0+025.00）

5.3.3 大坝下游流场

经过水跃消能， 池中底部流速由22 m/s减到12 m/s以下，坝下0+110.00 m断面大部分流速在4～7 m/s，参见图7。

图7 坝下0+110.00、0+140.00、0+180.00断面流速（ m/s）Fig. 7 The flow regime of the section（ D0+110.00，D0+140.00 and D0+180.00）

6 结论及建议

上游右侧挡土墙对3号底孔的进流流态产生一定影响。 靠近3号底孔的挡土墙顶部的流速较大，局部最大流速达到5.5 m/s， 裹头部位的顺坝流基本在2～3 m/s。

消力池两侧的挡土墙兼有导墙的功能，挡土墙布置应考虑对水流的影响。

泄流进入消力池[9]后，沿右侧挡土墙水平扩散，回流冲刷裹头部位后， 越过挡土墙跌落到水跃前端。 排漂坝段左侧部位也有类似流态，但因排漂坝段泄量小，不良流态较右侧弱。

消力池末端水流局部流速达到12 m/s， 水流出消力池后流速在6 m/s左右，应充分考虑河床的抗冲刷能力。

结合各部位流态分布情况，考虑采取以下工程措施消除目前存在的不良流态。

1） 增加右岸上游裹头挡墙的高度，降低挡墙对3号底孔进流流态的影响。

2） 增加下游表孔坝段和底孔坝段之间中隔墙的高度，避免泄洪时横向流对泄洪的影响。

3） 加强下游两岸裹头的结构强度，避免泄洪回水对裹头造成的淘刷破坏。

4） 在护坦末尾设置深齿墙，避免泄洪较大流速对护坦结构造成破坏。

通过三维数值模拟计算，充分了解各部位的流速分布和流态情况。 为更合理地确定枢纽总体布置和建筑物体型提供了依据，这个方法合理高效。

[1] 中华人民共和国水利部. SL252-2000水利水电工程等级划分及洪水标准[S]. 北京： 中国水利水电出版社， 2000.

[2] 中华人民共和国水利部. SL274-2001碾压式土石坝设计规范[S]. 北京： 中国水利水电出版社， 2002.

[3] 中华人民共和国水利部. SL319-2005混凝土重力坝设计规范[S]. 北京： 中国水利水电出版社， 2005.

[4] 武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室. 水力计算手册[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2006： 73-104.

[5] 李玲， 陈永灿， 李永红. 三维VOF模型及其在溢洪道水流计算中的应用[J]. 水力发电学报， 2007， 26（ 2）： 73-104.LI Ling，CHEN Yongcan，LI Yonghong.Three-dimensional VOF model and its application to the water flow calculation in the spillway[J]. Joural of Hydroelectric Engineering，2007， 26（ 2）： 73-104（ in Chinese）.

[6] 董壮. 三维水流数值模拟研究进展[J]. 水利水运工程学报， 2002（ 3）： 66-72.DONG Zhuang. Advances in 3-D flow numerical simulation[J]. Hydro-Science and Engineering， 2002（ 3）： 66-72（ in Chinese）.

[7] 王远成， 吴文权. 基于RNG k-ε湍流模型钝体绕流的数值模拟[J]. 上海理工大学学报， 2004， 26（ 6）： 15-19.WANG Yuancheng， WU Wenquan. Numerical simulation of flow around blunt bodies using RNG k-ε turbulence model[J]. Joural of University of Shanghai for Science and Technology， 2004， 26（ 6）： 15-19（ in Chinese）.

[8] 中华人民共和国水利部. SL379-2007水工挡土墙设计规范[S]. 北京： 中国水利水电出版社， 2007.

[9] 孙永娟， 孙双科. 高水头大单宽流量底流消能技术研究成果综述[J]. 水力发电， 2005， 31（ 8）： 70-73.SUN Yongjuan， SUN Shuangke. Summary on research results of underflow energy dissipation technology with high head and large unit-width discharge[J]. Water Power，2005， 31（ 8）： 70-73（ in Chinese）.