深水水库隔水幕布透水率对下泄水温影响研究

王海军， 冯立阳， 练继建

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300350； 2.天津大学 建筑工程学院， 天津 300350)

1 研究背景

筑坝建库是开发利用水资源的常用工程措施，但水库蓄水运行改变了天然河道的水文水力特性，导致水温结构发生变化。在调节性能较强的水库中易形成水温分层结构，这种水温分层结构会引起原有水体的物理化学特性及生物物种分布的变化，导致下层水体常年维持在较低的温度状态。春夏季节水温分层更为明显，由于水电站引水口高程较低，下泄水流的水温低于表层水温[1-2]，对下游农渔业造成影响并威胁区域生物多样性[3-5]。为提高下泄水温，国内外通过分层取水等措施实现水库水体内热量调节和管理[6-7]。

对于已运行水库，隔水幕布是一种有效的分层取水措施[8-9]。用于低温水治理时将幕布置于坝前一定位置的水库底层，选择合适的挡水高度阻挡中、底层低温水，使温度较高的水体流经幕布上表面，与幕布至引水口间温度分层的水体掺混，从而提高下泄水温。最早在美国北加利福尼亚州Lewiston水库和田纳西州Cherokee水库中进行隔水幕布拦挡底层低温水试验[10]。Vermeyen详述了隔水幕布的设计、建造及运行性能等内容，并在Lewiston和Whiskeytown水库中布置了3个隔水幕布探究其对水库温度的调控作用[11-12]。针对我国高坝大库，中南院提出低温水治理隔水网方案，练继建等[13]依据幕布固定方式的不同，提出浮式、悬挂式及浮挂结合式隔水幕布。

在理论研究方面，Shammaa等[14]利用PIV和LIF技术在两层密度分层水体中开展了物理模型试验，研究了隔水幕布对平均流量、下泄水组成、分层界面变化和流场等方面的影响。练继建等[15]通过数值模拟，实现了隔水幕布对下泄低温水改善效果的研究。薛文豪等[16]探索了不同幕布布设方式对全库区水温的影响。盛传明等[17]通过物理模型试验与数值模型模拟相结合的方式，研究了绳索的受力特性。He Wei等[18]定量计算了幕布对水温结构及水环境治理的潜在影响。在上述工程应用及物理模型中，幕布材料主要选用不透水的土工织物；数值模型中，通过参数设置将隔水幕布设置为不透水材料，未考虑幕布透水率参数对下泄水温改善效果及幕布受力的影响。幕布主要材料为土工织物，此种材料由沿机器方向的经纱及与经纱垂直的纬纱织成，纤维之间存在空隙，因此具有一定的透水率。刘伟超[19]探究了土工布透水率在承受张力后与无荷载情况相比产生较大变化。在实际应用时，幕布透水率也将影响幕布总体受力，对锚固系统提出要求，因此进一步研究幕布材料透水率的影响对工程具有指导意义。

2 数值模型控制方程

本文采用计算流体力学软件Flow3D进行数值模拟计算，考虑流体温度变化对周围流体密度的影响。因此需要求解基于流体力学基本控制方程，包括连续性方程、动量方程及能量方程，选用标准κ-ε紊流模型对方程进行封闭。使用基于结构化矩形网格的有限差分法离散控制方程，采用中心差分格式和迎风格式相结合的离散方法，离散后的差分方程由广义极小残差法(GMRES)进行求解，时间差分采用全隐格式。

Flow3D采用FAVORTM网格技术，求解的方程中包含体积孔隙度函数、体积分数VF与面积分数A。三维多孔材料的孔隙度定义为孔隙体积与材料总体积之比，如零体积孔隙体即为流体不能通过的障碍区域。而面积分数可以用来定义二维多孔薄挡板模型，通过此方式控制幕布孔隙率，不计流动损失。本文探究幕布透水率对其总体受力的影响，因此忽略幕布受力对孔隙率的影响，在模型计算时孔隙率参数值恒定。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

能量方程：

RIDIF+TDIF

(6)

(7)

(8)

体积分数、面积分数方程：

(9)

(10)

式中：VF为体积分数；t为时间，s；ρ为流体密度，kg/m3；xi、xj为各方向坐标分量；ui、uj为x，y，z坐标方向的流速，m/s；Ai、Aj为面积分数；p为水压力，Pa；Gi为x，y，z方向体积力加速度，m/s2；fi为x，y，z方向的黏滞项，具体见公式(3)～(5)；τij为流体切应力，N/m2，第1下标i为作用面，第2下标j为作用方向;μ为紊动运动黏滞系数，Pa·s；I为宏观掺混内能；RIDIF为紊流耗散项;TDIF为热传导项，具体见公式(7)～(8)，公式(7)中系数υI=CIμ/ρ，CI为普朗特数的倒数；公式(8)中系数k为温度传导系数，可直接定义或给定为普朗特数。

3 数值模型建立

3.1 工程概况

某水库正常蓄水位与防洪控制水位为475.00 m，电站进水口底板高程为408.00 m，4条引水隧洞内径均为7 m，隧洞中心间距22 m，最大泄流流量870 m3/s，坝前平均水深超过130 m，该水库具有稳定分层型水温结构。

3.2 网格划分及边界条件设置

对库区地形进行处理，构建坝前1.53 km水下三维地形，对各水工建筑物建立三维模型并进行网格划分。计算区域长1.63 km，宽1.5 km，包括坝前1.53 km库区、电站进水口及引水管道等，选取水流流向为y方向，横向为x方向，高程方向为z方向。采用结构化网格，平均网格尺寸为30 m×50 m×2.5 m，加密取水口前150 m范围内网格及取水层垂向网格，活动网格共计18×104个，库区布置及计算区域网格划分如图1所示。

依据实测水文水温、水位流量等数据确定不同工况模型的边界条件及初始条件。上游入流边界位于坝前1.53 km处，输入实测垂向分层水温；出流边界位于引水管道末端，为上游水温分布对应的下泄流量；设置模型初始水位为相应实测水位，水体静止，z向重力加速度为-9.8 m/s2，热传导采用二阶平流方法，压强为静水压强分布，计算区域水体初始温度设置为9.5 ℃。由于水库库容较大，坝前水位变化极小，模型表面采用刚盖假定，水体流动时将自由液面视为可移动的固壁表面。底边界及侧边界均采用无滑移条件，壁面上法向与切向流速均为零。不考虑流体与周围固体的质量与热量交换，河道表面糙率为0.035。

图1 库区布置及计算区域网格划分示意图

3.3 模型验证

采用深水水库实测水文水温资料，对建立的三维水动力水温数值模型的准确性进行验证。

选取典型年5、6月份实测数据对模型进行验证，如图2所示。由图2可看出，模拟与实测的坝前垂向水温分布情况拟合较好。

对比未设置幕布模型计算所得下泄水温与实测出库水温，其中5月下泄水温计算值为17.16℃，实测出库水温为17.25℃，误差为-0.09℃；6月下泄水温计算值为19.30℃，实测出库水温为19.35℃，误差为0.05℃。建立的数值模型能够较好地模拟库区坝前水域温度分布情况。

3.4 工况设置

为分析幕布透水率对下泄水温的影响，控制相同水温分布条件下的各工况除幕布透水率外其余条件均相同，幕布型式为全封闭式，即在幕布不透水情况下仅可由幕布上方过流，幕布淹没水深为30 m，布置于引水口前250 m处。根据实测数据设置模型的初始及边界条件，在2种水温分布下分别设计5种不同幕布透水率工况，具体工况设置见表1。设置5月水温分布下的工况1～5，其中不透水幕布为工况1，幕布透水率为2%、3%、5%和7%的模型分别对应工况2～5，同样设置6月水温分布下的工况6～10。

4 不同幕布透水率影响效果分析

4.1 隔水幕布改善水温效果

为分析隔水幕布改善水温的效果，将采用不透水幕布的工况1、工况6模型计算所得结果与无幕布模型进行对比。工况1下泄水温计算值为18.62 ℃，较无幕布模型下泄水温提高1.46 ℃。工况6下泄水温计算值为21.61 ℃，较无幕布模型下泄水温提高2.31 ℃。

表1 模拟工况设置表

图3为工况1坝前水域垂向流速矢量及温度分布云图(横坐标为水流流向水平距离，纵坐标为高程)；图4为幕布上下游垂向水温分布(幕布上游测点位于引水口前275 m处，幕布下游测点位于引水口前235 m处)。综合图3和4对工况1进行分析可以看到，未设置幕布时坝前水温呈现稳定的分层结构，由于受到温度分层的抑制作用及坝前电站进水口拉动作用的影响，坝前水体为水平向的分层流动，同时在电站进水口附近形成流速较大的下泄主流带，水库表层及底层水体流速较小；采用不透水幕布后，表层水体自幕布上方流入幕布下侧区域，破坏了原有下泄主流带，使温度较高的表层水体在垂向上扩散掺混，由于幕布所在断面过流面积减小而流速增大，形成了具有较高水温的下泄主流带，实现下泄水温的提高。但随着表层高温水掺混下泄，工况1幕布上游温跃层水温梯度减小，库区水温呈现整体降低的趋势。

图3 工况1坝前水域垂向流速矢量及温度分布云图

图4 无幕布及工况1幕布上下游垂向水温分布

4.2 透水率对水温改善效果的影响

工况2的幕布上下游垂向水温分布如图5所示，下泄水温计算值为18.14 ℃，较无幕布模型下泄水温提高0.89 ℃，较工况1水温改善效果下降0.57 ℃。

图5 工况2幕布上下游垂向水温分布

由于幕布材料透水，下层的低温水透过幕布直接流入幕布下侧区域，自幕布上方流入的表层较高温度水体减少，减小了幕布对下泄主流带流速的削弱作用，不利于幕布下游至引水口间水体充分掺混，水体仍呈分层流动特性。通过对比幕布上游15 m与500 m处的垂向水温分布，可以看到幕布上游500 m处库区水温分布与幕布上游15 m处水温相近(图5)，当采用隔水幕布持续取用表层高温水时，底层低温水留滞于幕布上游库区，使库区水温整体均匀降低。

图6给出了典型年5、6月份水温分布下各工况幕布下游垂向水温分布情况。图6表明，除不透水的工况1、工况6外，透水工况水体均为分层流动特性，透水率较水温梯度对于流场影响更大，通过改变流场进而影响温度改善效果。表2为各工况下泄水温及幕布总体受力数值计算结果，由表2可见，不透水隔水幕布改善水温效果最佳，6月份可提高2.31 ℃。随幕布透水率增大，幕布对下泄主流带的破坏效果逐渐减弱，水温改善效果下降。5月水温分布仅有工况1、2可以满足鱼类繁殖所需水温，幕布透水对水温改善效果影响较为明显。

图6 典型年5、6月份各工况幕布下游垂向水温分布

表2 各工况下泄水温及幕布总体受力数值计算结果

4.3 透水率对幕布总体受力的影响

提取幕布总体受力计算值如表2所示。对于透水率相同的工况，5月份幕布所受水平推力更小，这是由于5月下泄流量628.00 m3/s 小于6月下泄流量752.00 m3/s。下泄流量相同时，透水幕布的水平推力远小于不透水幕布的水平推力，工况2幕布总体受力为95 t较工况1幕布受力降低86.7 %，工况7较工况6幕布受力降低76.4 %，透水率对幕布受力影响较为明显，但随着透水率增大，幕布受力降低效果减弱。综合各工况结果，在工程应用中建议优先选择不透水隔水幕布以保证改善下泄低温水的最佳效果，但由于应用于水库的幕布面积较大，隔水幕布所受总力较大，不透水幕布所受水平推力过大不利于施工下放及运行维护。因此应结合总体受力随透水率变化情况，充分考虑幕布材料布置方向对透水率的影响，并考虑经济性等因素选择适当透水的幕布材料。

5 结 论

本文采用计算流体动力学软件建立了深水水库三维数值模拟模型，对透水率因素影响下的坝前水域流场、温度场等特性进行了系统分析，阐述了隔水幕布的水温改善效果，对比分析了幕布透水率对水温改善效果及幕布总体受力的影响，所得结论如下：

(1)隔水幕布有效地改善了下泄水温较低的情况。隔水幕布对水流流速及水温结构有较大影响，有效提高了因水温分层导致的低出库水温，具有推广应用价值。

(2)幕布透水率对水温改善效果影响较为明显。随着幕布透水率增大，水体仍为分层流动特性，水温改善效果下降。

(3)幕布透水率对幕布所受水平推力影响较大。透水幕布的水平推力远小于不透水幕布的水平推力，随着透水率增大，幕布受力降低效果减弱。根据本文研究结果，对于该工程建议控制幕布材料的平均透水率不超过2 %以保证下游鱼类繁殖需求。在满足下泄水温需求的前提下，选择适当透水的幕布材料并充分考虑幕布材料布置方向对透水率的影响，降低幕布总体水平推力，有利于工程的施工运行维护及隔水幕布分层取水设施的应用推广。