多孔溢流坝水闸组合调度运行方式数值模拟研究

丁 磊

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000)

1 研究背景

在水利工程中，大坝的调度运行需要由闸门进行控制，合理的调度方式对大坝的泄流及防止洪涝灾害起着至关重要的作用。随着工程运行特点及要求的不同，其闸门运行调度的方式也不尽相同。为了更好调节水库上游水位进行防洪消能，同时保证大坝安全运行，对坝体闸门调度运行研究显得极为重要。

目前，许多学者通过试验、数值模拟对闸门调度运行进行了研究。如车清权[1]等通过对三峡水利枢纽泄洪调度进行水力学试验研究，得到各孔按均匀、间隔、对称的原则开启闸门及对深孔和表孔泄洪调度优化方案。张海光[2]等以华安水电站为例，通过建立物理模型研究多闸孔泄洪的水力特性，得到华安水电站启闭泄洪优化方案。关大玮[3]等采用Flow-3d模拟高坝闸孔泄流的三维流场，将数值模拟值与物理模型试验进行对比，结果表明坝面水深、流速以及掺气浓度都比较接近，模拟效果较好。李占松[4]通过对南水北调中线工程节制闸启闭时相应的控制运行方式进行研究，得出了合理的调度运行方案。权新芳[5]通过对宝鸡市拦河闸平板钢闸门的运行实践进行研究，提出科学的调度运行方案。以上学者均从不同角度对大坝闸门调度运行进行研究，但对溢流坝闸门组合开启方式的调度运行研究还是很少。因此，本文针对多孔溢流坝水闸组合调度运行方式进行研究，以期为类似工程运行管理提供理论基础。

2 数学模型

本文以Flow-3d计算软件中的RNGk-ε模型来模拟水流运动，而VOF法在模拟自由表面上具有较好的追踪性[6]。对于整个模型的域中某个单元网格，F=0代表单元网格无流体；F=0～1代表单元网格流体部分充满；F=1代表单元网格流体全充满[7]。网格划分采用矩形网格进行划分，平均网格单元为1 m，网格数量约为150万。具体连续方程、动量方程、紊动能K及ε方程如下：

2.1 控制方程

连续方程：

动量方程：

紊动能k方程：

Gk-ρε

紊动能ε方程：

2.2 参数设置

边界条件：上游进水口设置流量边界，下游出口设置自由出流边界，模型正上方设置大气压力边界，模型底部所在面采用固体边界。

初始条件：溢流坝上游设置初始水位60 m，下游河道设置初始水位30 m，给定初始流量Q=600 m3/s。

2.3 模型验证

为验证数学模型的可靠性和准确性，根据模型的实际参数，设定Q=600 m3/s三孔闸门全开进行数值模拟，将数值模拟结果与试验结果进行对比分析，具体见表1、图1。

表1 闸孔流速

图1 挑流水面线

表1是Q=600 m3/s时开启三孔闸门开情况下，溢流坝闸孔实测平均流速和数值模拟结果对比，两者误差较小。图1是Q=600 m3/s时开启三孔闸门开情况下，溢流坝闸孔挑流水面线，在A、B、C 3个断面处的水面线基本相似。

3 闸门组合开启数值模拟

模型是三孔对称闸门溢流坝，根据闸门组合开启方式，可分为开启1孔即开启1号孔或2号孔、连续均匀开启2孔即开启1#2#孔(由于闸孔是对称性，将开启1#2#号工况等同于开启2#3#号工况)、连续均匀开启3孔即开启1#2#3#孔，一共4种组合开启方式。根据预设定的流量，在上游水位60 m、下游水位30 m情况下，溢流坝的闸孔从右岸到左岸依次编号为1#、2#、3#，具体见图2。

图2 溢流坝闸孔编号

4 模拟结果及分析

4.1 流 态

在同一流量下，不同的闸门组合开启会使坝面及水舌水流的形态发生变化。为了更好研究由于闸门组合开启方式不同对水流形态的影响，根据数值模拟结果得到如下流态图，具体见图3。

图3 池流流态

由图3可知，开启1#闸孔，水流有边墙的束缚在坝面扩散程度较小，水舌入水厚度较厚且较远，主要集中在右岸侧；开启2#闸孔，水流没有边墙的束缚在坝面扩散程度较大，水舌入水厚度较薄且较近，主要集中在左右岸中间；同时开启2孔，即开启1#2#闸孔水流受单一边墙和自身水流影响，在坝面交汇扩散程度较大，水舌入水厚度薄且近，主要集中在近右岸侧；同时开启3孔，即开启1#2#3#闸孔水流受双面边墙和自身水流的影响，在坝面交汇扩散程度最大，水舌入水厚度很薄且很近。

4.2 坝面压强

溢流坝在不同的闸门组合开启方式下，坝面的时均压强都会不同。为了更好比较4种闸门组合开启方式的效果，本文进一步研究坝面压强，具体见图4。

根据图4可知，对于同等流量下4种组合开启闸门方式，沿水流方向坝面压强均呈先减小后增大再减小稳定的趋势，其中最大压强在坝顶处均为30 kPa，最小压强在坝顶和反弧段之间的斜面处。而开启1#闸孔、开启2#孔、同时开启1#2#闸孔坝面最小压强均为0 kPa；同时开启3孔坝面存在负压，最小为-0.5 kPa。

图4 溢流坝坝面时均压强

4.3 消能率

对于水库溢流坝泄流，不同的闸门组合开启方式会有不同的挑流效果，影响挑流消能率。根据数值模拟结果以及消能率公式：

式中：E1、E2为上下游总能量；H1、H2为上下游计算断面的水深；ν1、ν2为上下游计算断面的平均流速；α1、α2为上下游进出口断面流速修正系数，由于进出口断面流速相对较稳定取1，具体见表2。

表2 不同开启方式下水力特征

根据表2可知，对于同等流量下4种组合开启闸门方式,消能率在32.07%～37.78%之间，同时开启1#2#闸孔的挑流消能率最大为37.78%。

5 结 论

本文通过对这4种闸门组合开启方式进行数值模拟研究，得到如下结论：

1) 4种开启方式下，开启1#2#闸孔相对扩散水流在坝面程度不大、较稳定，消能率最大为37.78%。

2) 坝面压强均沿水流方向呈先减小后增大再减小稳定的趋势，其中最大压强在坝顶处均为30 kPa，最小压强在坝顶和反弧段之间的斜面处。开启1#闸孔、开启2#闸孔、同时开启1#2#闸孔坝面最小压强均为0 kPa；而开启3孔坝面存在负压为-0.5 kPa，对坝面稳定不利。

3) 综合分析流态、坝面压强、下游河道最大流速及消能率得出，选择同时开启1#2#闸孔进行闸门调度运行较优。