基于水动力模型的水库溢洪道水流演进分析

武亚辉

（河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300250）

某中型水库于1971年6月动工兴建，1973年9月开始蓄水运用，2003年实施水库除险加固，现状总库容1535万m3，是一座以防洪、灌溉为主的中型水利工程。水库主要由拦河坝、溢洪口门副坝、南坝头副坝、单孔泄洪洞、双孔泄洪洞、灌溉洞等建筑物组成。 由于库区淤积严重， 水库现状防洪标准不足300年一遇，不能满足1000年一遇防洪要求。 为提高水库防洪标准，保证水库安全运行，需实施新一轮除险加固，决定采取水库部分清淤并结合新建溢洪道的设计方案。

针对拟建溢洪道采用水动力数学模型进行水流流势流态分析。 目前，国内外对各类水域（河流、湖泊、海洋、水库、河口）的水动力过程开展了富有成效的研究，出现一大批考虑因素全面、功能完善的水动力计算软件［1］，其中具有代表性的有：荷兰Delft 水力学实验室开发的Delft3D 模型软件［2］、丹麦水资源与环境研究所DHI开发的MIKE 系列软件［3，4］、里斯本科技大学海洋与环境科技研究中心MARETEC开发的MOHID［4］软件等。 本次选取MIKE系列软件中的MIKE 21水动力模块建立溢洪道及水库下游河床的整体洪水数学模型， 对溢洪道内的水流形态进行模拟分析。

1 研究项目概况

拟建溢洪道布置于库区大坝左侧， 设计溢洪道轴线与坝顶中心线采用正交布置， 交点桩号为拦河坝0+099m。 溢洪道由进水渠、控制段、泄槽段、消能防冲段和出水渠组成， 轴线总长473.8m， 最大泄量806m3/s。 溢洪道通过尾渠转弯将下泄水流导入下游河床，尾渠转弯角度54°，出口距离主槽距离约330m。溢洪道平面布置如图1。

图1 新建溢洪道平面布置

（1）进水渠。 进水渠两侧采用圆弧边墙+直线段边墙与两侧坝坡连接； 进水渠顺水流方向的长度以挡住两侧大坝坡脚为原则取15m。进水渠高程为溢流堰堰顶高程109.0m。

（2）控制段闸室。溢流堰为宽顶堰，堰顶高程109.0m，共5孔，单孔净宽7.0m，为两边1孔一联、中间3孔一联的开敞式钢筋混凝土结构。 控制段长16.0m。

（3）泄槽。 泄槽为矩型等宽断面，宽度42.2m，轴线总长166m。 泄槽采用陡坡，纵坡取0.095。

（4）消能防冲。 泄槽出口采用底流消能，为等宽矩型下挖式混凝土结构，总长63.4m，其中斜坡段长23.4m，水平段长40m。 消力池池深4.5m，与泄槽采用1∶4.0的斜坡连接，底板高程87.4m。 消力池底板与边墙采用分离式混凝土结构， 底板厚度按抗冲要求取2.0m；两侧边墙采用半重力式挡墙。 消力池下游防冲段由水平等宽段、弯道扩散段（斜坡段及防冲槽） 组成， 总长94.5m， 底宽由42.2m渐变到45.88m， 转弯半径180m。 其中， 水平等宽段长9.90m， 其后采用1∶12斜坡段与防冲槽相接， 防冲槽宽度20m，深2.0m，下设0.1m厚垫层。防冲槽后采用1∶5斜坡段， 在桩号Y0+339.9m断面与出水渠相接。 消力池下游防冲段两岸水面线以下采用半重力式挡墙，断面为矩型。

（5） 出水渠。 出水渠连接消能防冲设施和下游河道，全长118.9m。 出水渠渠底高程为河道底高程91.9m，宽度由45.88m渐变到70.0m，中心线转弯半径180m。 出水渠渠底采用厚0.5m浆砌石护砌，两侧采用半重力式挡墙，断面为矩型。 为防止出口水流冲刷，出口接长30m、宽100m、厚度0.5m铅丝石笼护底。

新建溢洪道设计泄流能力如表1。

表1 溢洪道泄流能力计算成果

2 计算模型

利用DHI MIKE 模型中的MIKE 21模块建立该区域的水动力数学模型， 利用非结构网格模型进行模拟计算。 非结构网格模型中采用的数值方法是单元中心的有限体积法。控制方程离散时，结果变量U，V位于单元中心，跨边界通量垂直于单元边。 有限体积法中法向通量通过在沿外法向建立单元水力模型并求解一维黎曼问题而得到［5-8］。

2.1 基本方程

二维水动力计算模块的原理基于二维不可压缩流体雷诺平均应力方程， 服从布辛涅斯克（Boussinesq）假设和静水压力假设。

二维水流连续运动方程为：

二维水流的动量方程为：

2.2 计算范围

本次模拟范围上游起自溢洪道进水渠口； 为了尽量减少人为设定的下游边界条件对溢洪道洪水下泄产生影响，将模型下游边界尽量下移，设置在溢洪道下游约2.8km位置； 库区下游河道属于山区河道，取两岸高地作为洪水控制边界， 河道宽度约1.1km。模型计算总面积约4.4km2。

2.3 网格剖分及边界条件

本次采用非结构化网格对计算区域进行网格剖分。溢流堰区域采用四边形网格，单个网格面积不大于4m2；溢洪道下游至跨河大桥段河床区域采用三角形网格，单个网格面积不大于10m2；跨河大桥以下河床同样采用三角形网格， 单个网格面积不大于200m2。 本次共剖分网格单元69890个。

利用实测1∶2000地形图并结合溢洪道设计方案对剖分网格进行地形赋值， 网格地形赋值后如图2。糙率取值按照河床地物地貌类型， 采用常用经验糙率进行相应赋值。

图2 计算区域网格剖分地形赋值图

上游边界设定为入流边界， 按照不同洪水标准给定溢洪道的下泄流量； 下游边界根据该河道相关治理报告中的水位计算成果设置为水位流量关系。考虑水流传播时长及溢流道内水流的稳定性， 模拟时间12h，计算步长5s。

2.4 模型验证

利用溢洪道堰流公式计算中的相关成果与本次模拟计算结果进行对比，验证模型的可靠性。

对不同泄量工况下溢流堰洪水位验证， 如表2，本次计算结果与原设计成果相差不大， 考虑到设计方案中计算参数富余度、闸前水面坡降较大、水流行进流速等因素， 并结合溢洪道内的整体水面比降和流场分布，本次所建立的模型基本可用。

表2 不同泄量条件下溢流堰进口位置洪水位统计

3 结果与分析

3.1 溢洪道内水流流态分析

对模型的计算水面分布进行分析， 溢洪道内水流流态为：①闸前库水位已经出现水面坡降；②闸墩前水位略有壅高；③闸室内水流较为平稳，无明显旋涡，闸室内由于墩头侧收缩作用，闸室内流速增大，水位明显降低；④出闸室水流在墩尾后约3m处交汇，水位略有隆起，但无明显水翅跃起；⑤泄槽内流态平稳，主流在桩号Y0+065m前汇合；⑥水跃跃首距消力池水平段进口约17m处，跃尾位于消力池水平段进口处，水跃形态较好；⑦水流出池后，由于下游的防洪槽的作用，在桩号Y0+264m处形成水跃，跃后水流平稳流向出水渠起始断面（桩号Y0+340m）；⑧防冲槽内水位较高，在防冲槽出口处水位达到最大值；⑨出水渠内水面平稳， 波动较小， 左侧水面明显高于右侧，水面出现横向坡，渠内水流均高速流向出口；⑩在桩号Y0+340m断面开始部分主流折向右岸出口，在出口前形成明显的主流三角区。

1000年一遇洪水条件下溢洪道内消力池与防冲槽所在区域水面线分布如图3， 两处分别出现了水跃，对溢洪道出流进行有效的消能减冲；出水渠所在区域水面线分布如图4， 水流受弯道离心力作用，出现左高右低的水面横向坡降现像，主流偏向左岸，需要做好左岸岸坡的防冲措施。

图3 消力池与防冲槽所在区域水面线分布情况

图4 出水渠所在区域水面线分布情况

3.2 水面线及流速计算结果分析

对溢洪道出水渠内关键测点水面线及流速分布进行统计， 沿程水面线及流速分布数据如表3～表5。

表3 泄槽及消力池段水位、流速统计

表4 出水渠段左右岸水位 单位：m

表5 出水渠段左右岸流速 单位：m/s

通过以上数据可以得出以下结论： ①溢洪道闸室段，1000年一遇洪水工况下水位迅速降低，流速增大；②泄槽段随着桩号增大水面逐渐降低，整体流速较大（6.85～11.01m/s），在泄槽段下部水跃出现前的断面（桩号Y0+182m），水面处于低值；③消力池内水跃发生在斜坡段，从跃首断面水面逐渐升高，在消力池中后部（桩号Y0+230m）水深达到最大值，可推断出池内漩滚发育，消能充分；④出水渠入口断面横向水位差约为0.5m；⑤出水口下游防护措施段，该段采取铅丝石笼防护， 流速的最大值约为3.39～5.18m/s，且流速较大的集中在了左岸，根据流速的分布，建议该段做好防冲措施并适当增长防护的范围。

3.3 流场分布

对溢洪道内流场进行整体梳理： ①水流出闸室后泄槽内水流较为平稳， 在消力池及防冲槽区域分别形成水跃，流场较为混乱；②出防冲槽后在弯道区域形成左右岸2个回水区， 防冲槽位置左岸回流边线位于坡脚处；③右岸回流边线位于距右坡脚左侧10m左右，左岸回水区范围比右岸回水区范围稍大；④主流出防冲槽后直冲左侧岸坡；⑤自出水渠起始断面（桩号Y0+345m）开始，渠内水流均高速流向出口，左侧水面明显高于右侧，左右岸均无回流；⑥在桩号Y0+390m断面开始部分主流折向右岸出口；⑦弯道区域及下游出口区域水流流场分布分别如图5、图6。

图5 弯道区域水流流场及流速分布

图6 弯道区域水流流场及流速分布

3.4 下游桥梁防洪安全分析

溢洪道下游约25m有座跨河大桥， 在河道内共布设桥39排桥墩，其中左岸滩地16排，河道主槽内6排，右岸滩地17排。 通过水流流场分布分析，第1排桥墩由于地势相对较高，未上水；第2～4排桥墩处于溢洪道水流扩散段，流场呈将斜40°冲向桥墩，流速在1.72～2.86m/s之间；第5～16排，水流流向呈横向对桥墩进行冲击，流速在1.12～2.65m/s之间；水流进入河道主槽向下游演进，水流整体流向转向下游，流速在2.26～3.13m/s之间；右岸滩地流速较小，属于漫流淹没区域，对桥墩的防洪影响相对较小。 通过以上分析，第2～6排桥墩位置流速较大，建议做好桥墩的防冲措施。

4 结语

（1）基于MIKE 21水动力模型平台，能够较好地模拟该水库溢洪道建设方案的水流特性， 从而为溢洪道整体布置及冲刷防护措施提供技术支撑。 通过本次计算分析，溢洪道设计方案总体布局合理，且泄流建筑物泄洪能力满足设计要求。

（2）消力池和防冲槽分别产生水跃，起到有效的消能作用；出水渠由于采用取弯道设计，分别出现了左右岸两个回水区，并出现了水面横向坡；出水渠出口流速较大，且主流偏向左岸，建议对出口区域做好防冲措施。

（3）考虑到溢洪道内水流表层和底层流态存在一定的差异，本次仅采用二维水动力模型，可考虑采用三维模型进一步分析； 同时本次采用河床定床工况对水流进行模拟分析， 考虑溢洪道及出口区域流速较大， 引起的河床冲刷深度较大会带来河床高程的改变，流场随之变化，可搜集相关地质资料， 采用动床模型对该溢洪道水动力模型进一步优化。