导流洞进口残埂对过流能力的影响数值模拟研究

胡海松

(1.安徽省建筑工程质量监督检测站，合肥 230000; 2.水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景

随着我国经济技术的发展，在水利工程中采取的各类截流措施以及施工方法，都在保证施工可行的基础上增加经济效益。对于前期施工所修建的施工导流围堰残埂一般都是拆除，但是随着施工过程蓄水及施工结束一部分围堰残埂已经被水体覆盖，进行水下拆除技术复杂。一些学者通过对导流洞截流残埂的拆除对截流施工的影响，发现对于正在截流施工的水位有一定影响，导流洞进口围堰残埂在一定程度上增加了截流难度且对过流能力的影响较大[1-4]。为此，本文通过建立数学模拟研究导流洞进口围堰残埂高度对过流能力的影响，为类似的工程修建及研究提供理论指导及基础。

2 工程概况

某工程主要建筑物为混凝土重力坝，左岸为底下引水发电系统组成的1等小(Ⅰ)型工程，该工程采用河床截流和右岸设计导流洞进行施工导流，导流隧洞长度约1 500 m，进口最低高程为1 400 m，最高高程为1 450 m，上游围堰为左窄右宽，围堰的上游边坡比为1∶1，导流洞为方圆型断面，断面尺寸长为15 m，宽为20 m，顶拱中心角为120°。见图1。

图1 导流隧洞平面布置

3 数学模型建立及验证

3.1 控制方程

为研究复杂水流交汇和波动情况，本文控制方程选择N-S方程为紊流模型，湍流模型的理论基础是脉动方程和雷诺平均运动方程，其提供了一整套模型模型假设理论与经验相结合的方法，从而建立起一组封闭方程组，这个方程组可以用来描写湍流平均量。控制方程可表示如下：

式中：u，v，w分别为相应坐标系XYZ轴的3个方向的速度；Ax，Ay，Az分别为相应坐标系XYZ轴3个方向可流动流体的面积分数大小;VF为可流动流体的体积分数；ρ为该流体密度；Gx，Gy，Gz分别为流体在相应坐标系XYZ轴3个方向的重力加速度；fx，fy，fz分别为相应应坐标系XYZ轴3个方向的黏滞力[5]。

3.2 自由表面追踪方法

在水利工程研究领域对水流自由表面的追踪是复杂过程，而对自由表面流体的模拟也是能否精确模拟水流的关键技术。由于VOF对水流自由表面的模拟具有间短、精确度高等优点，因此本模型选择VOF方法对自由表面位置追踪进行锁定。VOF方法在处理水流交汇和波动自由液面的等现象具有较高的准确度，并且所需计算机的运行内存要求不高。在F函数中，对于F=1，表示计算模型的单元网格充满流体；对于F=0，表示计算模型的单元网格不存在流体；对于F属于0～1，表示计算模型的单元网格内被流体部分充满，即存在自由表面液体[5]。

3.3 网格划分及边界条件设置

整个计算模型坐标以导流洞进口水流方向为X正方向，垂直X方向上为Y方向，高度方向为Z方向。由于整个模型的计算流域较大，在本文主要研究部位进行加密处理，因此需要对模型进行分块处理。本模型共分为3个网格块，第一段为导流洞进口直线段范围为x：0～400 m，y：50～150 m，z：0～50 m；第二段网格块为导流洞折线段范围为x：400～700 m，y：1 000～500 m，z：0～50 m。第三段网格块为导流洞出口和下游围堰段范围为x：700～900 m，y：500～1 000 m，z：0～50 m。模型整体采用结构化均匀网格，总网格数约500万。

本模型边界条件上游设置体积流量边界，模型上方设置为大气边界，模型的下游出口设置为压力边界，模型的其他部位设置为固壁边界。

3.4 数值模型验证

本文主要把截流合拢时的上游流量800 m3/s作为本文计算的流量条件，为验证建立的数值模型对本文导流洞进口残埂对过流能力影响的数值模拟研究，现对导流洞上游来流量Q=800 m3/s且对应下游尾水位为250 m进行数值计算，将模拟计算的数值与模型试验结果进行对比分析。表1为导流洞无残埂时泄流时进口水位和进口平均流速的数值计算与模型试验结果的比较。

表1 计算值与模型试验

由表1可知，模型计算的泄流能力比模型试验值稍小，导流洞进口水位高度相差很小，误差仅1.3%，对于导流洞进口平均流速相差也相对较小，误差仅为2.4%，数值模拟计算值与试验值基本吻合，因此所建立的数学模型可以研究本文的内容。

4 导流洞进口残埂对过流能力的影响

为研究进口围堰残埂对导流洞过流能力影响，本文主要建立3种不同高度的导流洞进口围堰残埂模型进行数值模拟分析，高度分别为H=1，3，5 m。

4.1 水 位

导流对水位要求极高，水位波动和较高都将影响导流洞的过流能力。为此，本文在上游来水流量为800 m3/s情况下，对导流洞围堰残埂对导流洞进口水位的影响进行横纵向研究。见表2。

表2 进口残埂围堰对导流洞水位影响比较

由表2可知，导流洞进口水位随着进口残埂高度的增加而增加，随1～3 m水位差值增加的幅度较小，相比3～5 m水位差值增加幅度较大，由此可知导流洞进口残埂对导流洞进口水位有一定的影响，并且随着残埂的高度增加差值也越大。

4.2 流 速

导流洞的进口流速是影响导流效果的关键参数，为研究导流洞上游围堰残埂对导流洞进口流速的影响，本文针对3种围堰残埂高度的导流洞进口流速进行数值模拟，具体见图2。

图2为导流洞进口1，3，5 m高度围堰残埂纵剖面流速图。由图2可知，在导流洞进口残埂围堰为1 m时，残埂表面最大流速为6 m/s；在导流洞进口残埂围堰为3 m时，残埂表面最大流速为7 m/s；在导流洞进口围堰残埂为5 m时，残埂表面最大流速为9 m/s。3种情况下的其他部位流速在2.0～7.0 m/s范围波动，相差不大。

图2 导流洞进口残埂纵剖面流速等值线

5 结 论

1) 通过数学模型的计算与物理模型试验可知，Flow-3d软件在模拟复杂的水流变化具有较高的准确性和高效性，尤其是在方案设计和优选方面经济可靠。

2) 导流洞进口围堰残埂对导流洞的过流能力有一定的影响，随着导流洞进口残埂围堰高度的增加，相对进口水位就越高，水位越高也进一步降低过流的能力。相对导流洞进口围堰残埂的高度对导流洞进口的流速影响较大，随着进口围残埂的高度增加，进口流速也随之增加，尤其是在围堰残埂处值为9 m/s。

3) 对于水利工程的导流洞修建后，相对导流洞进口围堰残埂对导流洞的进口流速和水位有一定的影响，建议在下游截流时拆除以保证导流洞进口流速和水位相对稳定。