S型河道对溢流坝挑流水力特性影响研究

陈 龙

(塔里木河流域和田管理局，新疆 和田 848000)

1 研究背景

S型河道是一种复杂的河道形式，由于S型河道影响上游水流，因此建在S型河道的溢流坝的下游水流特性也会发生不同的变化。目前，已有学者对弯道水流进行大量的研究。如严培[1]等通过MIKE软件模拟单曲弯道和3种新型弯道水流，得到弯道水流冲刷的基本规律；白玉川[2]等通过对常曲率U型弯道水流冲刷进行试验，得到U型弯道水流结构的基本规律；周勤[3]对小南海S型溢洪道进行研究，得到了在强惯性离心力的影响下的水力特性分布情况。

以上都是针对具体弯道形式对大坝运行期水流产生不同的影响进行研究，而以S型河道为例对溢流坝挑流水力特性影响研究还很少。因此，本文以某S型河道为例，建立数学模型研究其相关水力特性，以期得出相关规律，为类似工程建设提供理论参考。

2 数学模型

本文模拟水流运动采用Flow-3d计算软件中的RNGk-ε模型，因为其在模拟自由表面上具有较好的时时追踪性[4]。把整个模型的域分成若干个单元网格，F=0代表其中单元网格没有流体；F=0～1代表其中单元网格有部分的流体；F=1代表其中单元网格全部充满流态[5]。网格划分采用结构化矩形网格形式进行描述，平均网格单元为0.5 m，网格数量约为200×104。具体的模拟计算方程如下：

2.1 控制方程

gi+fi

2.2 参数设置

边界条件：弯道上游设置流量边界且给定初始水位，溢流坝下游设置压力边界，模型正上方设置大气压力边界，模型底部采用固体边界。

初始条件：弯道溢流坝上游给定初始水位80 m，溢流坝下游河道给定初始水位50 m，给定初始流量Q=800 m3/s。

2.3 模型验证

为验证所建数学模型的有效性和准确性，将数值模拟结果与实测数据进行对比分析，具体见表1。

表1是Q=800 m3/s时弯道溢流坝挑流堰顶流速。溢流坝堰顶实测平均流速和数值模拟结果对比，误差范围在2.76%～2.88%之间，两者相对误差较小，模型建立较准确可靠。

表1 溢流坝堰顶流速

3 U型弯道水流数值模拟

该模型是建在S型弯道处的溢流坝，为研究在S型弯道处的水流对溢流坝挑流产生的影响，通过FLOW-3d软件全真模拟溢流坝的挑流过程。通过软件分析溢流坝上游正前方水流流速、挑流水舌、下游河道压强变换情况，得到S型河道对溢流坝挑流水力特性影响的基本规律，具体建模见图1。

图1 S型弯道处溢流坝模型

4 模拟结果及分析

4.1 溢流坝坝体前端流速

由于水流在弯道处的横纵比的影响，S型弯道水流在溢流坝坝体前端的流速也会发生不同的变化。为了更好研究由于S型弯道对溢流坝坝体前端水流流速的影响，根据数值模拟结果得到流速图，具体见图2。

图2 溢流坝正前端平均流速

由图2可知，由于水流受惯性离心力的影响，溢流坝前端中部流速最大，右岸比左岸的流速大。

4.2 挑流水舌

由于水流的惯性离心力的影响，导致水流在溢流坝泄洪挑流水舌挑据发生变化。为研究这种变化特点，本文进一步研究了水舌特征，具体见表2。

根据表2可知，中部水流较集中，能量较大，挑距离最远为27 m，因此由于S型弯道的影响右岸相对比左岸挑距远。

表2 挑射水流水舌特征

4.3 下游河道压强

对于水库溢流坝泄流，挑流水舌对下游河道冲刷受S弯道水流的影响。为观察河道断面的压强分布情况，通过Flow-3d模拟后采用tecplot软件进行切片处理[7]，具体见图3。

图3 下游河道压强分布

根据图3可知，下游河道压强最大值为65 kPa，分布在近右岸到中部之间，相对右岸压强值较左岸大。

5 结 论

本文通过Flow-3d软件对S型河道水流对溢流坝挑流的影响进行数值模拟研究，得到如下结论：

1) 受S型河道水流惯性离心力的影响，溢流坝前端中部流速最大，右岸比左岸的流速大；中部水流较集中，能量较大，挑距离最远，而右岸相对比左岸挑距远；下游河道压强最大值为65 kPa，分布在近右岸到中部之间，相对右岸压强值较左岸大。

2) 应尽量避免在S型河道处修建大坝，如因受地形及资源限制，则必须对S型弯道处的溢流坝进行改善水流处理，以保证水流稳定性和大坝安全性。