正常运行水位大流量泄洪闸门调度方式分析

杨晓飞 潘 琰

(盐城市水利勘测设计研究院有限公司水工三室，江苏 盐城 224000)

引言

大坝在水资源综合利用中发挥水库流量和上下游水位控制、防洪等作用，这类作用发挥直接受到闸门调度运行方式影响。结合实际调研可以发现，不同组合开启方式下多闸孔闸门存在不同的水流主流区域、坝下河道流速、堰面流态、河底压强、挑距等水力特性，为总结相关规律，本文围绕正常运行水位大流量泄洪闸门调度方式展开具体研究。

1 模型建设

我国拥有丰富的水资源，这类资源的综合利用需要得到大坝的支持，这种支持同时与闸门调度运行存在直接关联。对于水库大坝，国内外学界开展了大量研究，本节将结合这类研究与大流量泄洪闸门调度，围绕文献综述、物理模型、数学模型开展深入探讨，以此明确本文研究方法。

1.1 文献综述

水库大坝相关研究向来属于国内外学界重点，这类研究多围绕物理模型试验、原型观测、数值模拟等方面进行，如通过研究大坝闸门调度运行，即可总结调度运行的方法和规律。围绕《多孔拦河闸坝泄洪方案水力特性研究》进行分析可以发现，通过水工模型试验，张海光等人结合华安水电站工程实例对多孔拦河闸(弯道河段)水力特性开展了深入研究，启闭泄洪优化方案通过研究得以确定；在《三峡水利枢纽泄洪调度运行水力学试验研究》中，车清权等人围绕表孔和深孔泄洪调度方案进行优化，结合具体试验，研究最终建议通过对称、间隔、均匀原则开启闸门；在《如何确定闸门混合开启时的闸孔泄流能力》研究中，罗岸等人结合模型试验得出闸孔泄流能力在闸门混合开启时的曲线图，闸门实际调度因此获得依据；在《倾倒式冲沙闸水力学特性》中，CHJ Bong等人研究泥沙堆积闸门水流特性，研究发现水流特性会受到淤泥堆积带来的负面影响，泥沙堆积情况在闸门检修时也需要考虑。结合国内外相关研究，本文将结合实际水库开展研究，以此结合物理试验与数学模型，优选最佳运行调度方式，研究能够同时为具体实践提供依据[1]。

1.2 物理模型

为提升研究的实践价值，本文以某水库作为研究对象，案例水库的校核洪水位、水源控制流域面积、总库容分别为566.26m、437km2、1 470万m3。对属于溢流坝形式的案例水库大坝来说，坝河床建基面高程、坝顶高程、堰顶高程分别为508m、568m、554m，大坝中部布置溢流堰，上、下游河段长度分别为200m、400m。5孔闸门设置于溢流堰上，高度、宽度分别为6mm、9m，平板闸门在堰上布置。为改变水流流态实现效能，本文需要围绕不同闸门组合开启方式进行研究，为简化研究，本文不考虑下游动床情况，因此选择正态定床模型作为物理模型，基于水力学设计相似原则结合原型开展模型设计，采用1∶50的模型几何尺寸，模拟原型河道总长为1 200m，模型长度为下游迄至坝轴线下游约650m，上游自坝轴线以上约550m，坝轴线上游库区、坝轴线下游河道分别存在250m、220m的平均宽度。局部动床模型用于模拟模型高度，具体范围包括大坝护坦下缘起至坝下250m，预留可冲河床，其存在35m的最大冲刷深度[2]。

1.3 数学模型

研究采用N-S方程进行数值模拟，以此建立数学模型，具体方程包括动量方程、连续方程、紊动能消耗率ε方程、紊动能k方程，具体建立式(1)所示的连续方程，式(2)所示的动量方程，式(3)所示的紊动能k方程，式(4)所示的紊动能消耗率ε方程。

式(1)

式(2)

式(3)

式(4)

基于研究需要的河段和水库的实际地形，数学建模按照1∶1进行，将三维地形坐标真实导入，依托三维地形拟合工具在软件Rhino 3D中建立地形，地形的修改由剪辑和修建工具负责，之后加入前、后、左、右、上、下边墙，具体模型建设采用的软件为flow-3d。选择非结构形式的模型网格划分，按照矩形规则网格对整个模型进行划分，选择1.83m的网格规格，存在约100万数量的网格。数学模型在x轴方向、y轴方向、z轴方向上的大小分别为0～440m、0～200m、0～70m，x轴方向包括下游河道、溢流坝、上游河道，分别为245m～440m、200m～245m、0～200m，y轴方向存在150m的平均河宽。上下游接近坝体与溢流坝属于研究重点，因此需要开展局部加密，因此再圈套一个网格，具体在x轴方向、y轴方向、z轴方向的200m～300m、80m～140m、515m～568m处，网格大小、网格数量分别为0.28m、1 500万左右。最终可以得到2格区域的整体网格划分，以及共计1 600万左右的总体网格数量。数学模型设定进水口为上游库区河道，水流会不断进入，以560m为上游初始水位，采用流量边界设置，数学模型设定下游挑流后河道为出口，有一定水位的水域会因下游挑流存在，需保证存在530m的下游初始水位，同时进行压力边界设置。此外，将固壁边界设定于模型底部，基于水流进出设定左右两岸为固壁边界，将大气压力边界设置于模型正上方与空气接触[3]。

2 模型验证

基于实际溢流坝作为研究原型，并建立1∶1的数学模型，通过对比实际图和网格划分渲染效果图可以发现，存在整体建立良好的模型。为对模型进行验证，结合3种案例水库工况流量进行研究，具体内容包括闸孔挑流形态、上游流速对比、上游表面流线，对比相应数据，按照工况a、工况b、工况c描述3个模型上游入口流量，分别为1 690m3/s、2 310m3/s、3 970m3/s。

2.1 闸孔挑流形态

结合案例水库数值模拟和闸孔挑流试验观测可以得到闸孔挑流的具体形态图，对比工况a、工况b、工况c下的模拟形态和试验观测照片可以发现，模拟形态和试验观测照片在右视图、正视图方向上存在基本相同的溢流坝面水流形态、挑流形态、下游河道水流波动情况，这说明本文建立的数学模型存在较好模拟效果。

2.2 上游流速对比

为实现上游库区存在的具体表面流速分布观测，将流速测量断面布置于试验模型闸孔前，分别布置在距坝轴线前10m、40m处，以及距右岸40m与距左岸150m连线断面处，各断面均进行5个点测量。在数值模拟等值线图上绘制试验观测得到的各断面流速可以确定，闸前流速范围、上游库区流速范围分别为0.43m/s～2.5m/s、0.1m/s～1.5m/s，速度随流量增加而增加，闸孔前的流速在同种工况下显著大于库区。

2.3 上游表面流线

为对上游库区水面波动在不同工况下的变化进行观察，明确各位置水流流向动态，对比模拟得到的上游库区流线图和试验观测得到的表面流态图可以发现，上游库区流态受增加的流量影响变得紊乱，同时存在较为明显的表面水流波动，轴向回流区较为明显存在于左岸，从两边向中间集中的水流流态存在于靠近闸孔处。进一步对比可以发现，流量的增加在整体上会导致流态变得紊乱，由于得到较为相似的局部流态，可证明存在较好模拟效果。总的来说，flow-3d软件能够较好用于案例水库溢流坝水力学问题研究，且存在经济可靠、省时省力、可靠性较高、可重复性模拟、准确度较高等优势[4]。

3 四、五孔均开调度原则数值分析

本节围绕四孔均开调度原则、五孔均开调度原则进行分析，最终明确调度方式选择方式，更好满足大流量泄洪闸门调度优化需要。

3.1 四孔均开调度原则

设置上游水位、来流量分别为560m3/s、900m3/s，在四孔均开调度原则下，设置均为4.5m的四闸门开启高度。围绕堰面流态图进行分析可以发现，在将1、2、3、4号孔开启时(1开孔状态)，存在受边墙束缚的1号孔水流，四股闸孔水流在坝面大量交汇，此时存在较紊乱的坝面流态扩散度，具体在河道左2区和右1区间集中。在将1、2、3、5号孔开启时(2开孔状态)，存在受边墙束缚的1、5号孔水流，三股闸孔水流在坝面大量交汇，第四股闸孔水流在其中仅存在少量交汇，此时存在特别紊乱的坝面流态扩散度，且在河道横断面5个区集中分布；围绕挑距进行分析可以发现，在1开孔状态时存在31.87m的挑距，在2开孔状态时则存在30.82m，挑距差别源于边墙束缚和坝面上四孔水流交汇影响，这种影响体现在水流的流态、能量变化方面；围绕河底压强进行分析可以发现，在1开孔状态时存在74kPa的下游底板最大压强，此时存在在河道左2区和右2区间集中的压强最大值，在2开孔状态时河道左1区和右2区间集中有压强最大值；围绕坝下河道流速进行分析可以发现，在来流量900m3/s时存在于530m左右波动的下游水位，且闸孔挑流带来的影响较为深远，因此选择tecplot软件在下游水位528m处水平面通过切片得到流速分布情况。在1开孔状态下和2开孔状态下，均存在22m/s的最大流速，其他区域则存在0.5m/s～3m/s区间大致波动的流速，存在显著均匀分布。围绕下游最大流速分布进行分析可以发现，在1开孔状态下，下游最大流速分布于河道左2区和右2区之间，在2开孔状态下，则分布于河道左1区和右2区之间。

3.2 五孔均开调度原则

设置上游水位、来流量分别为560m3/s、900m3/s，在五孔均开调度原则下，设置均为3.6m的五闸门开启高度。围绕堰面流态图进行分析可以发现，在将所有孔(1、2、3、4、5)均开启时，存在受边墙束缚的1、5号孔水流，五股闸孔水流同时在坝面大量交汇，这导致特别紊乱的坝面流态扩散度出现，具体在河道横断面5个区集中；围绕挑距进行分析可以发现，将所有孔均开启时存在35.25m挑距，在边墙束缚和坝面上交汇的五股闸孔水流影响下，水流流态、能量出现一定变化，减小的挑距因此产生；围绕河底压强进行分析可以发现，将所有孔均开启时存在70kPa的最大压强，所有孔均开启时在河道左2区和右2区间集中有压强最大值；围绕坝下河道流速进行分析可以发现，将所有孔均开启时存在20m/s的最大流速，集中存在于水舌冲刷附近，其他区域流速波动于0.5m/s～2m/s区间，具体分别较为均匀。围绕下游最大流速分布进行分析可以发现，将所有孔均开启时，最大流速分布在河道左2区和右1区间。

3.3 调度方式选择

对属于大流量的900m3/s正常运行水位来说，本文采用2种方案进行闸门调度运行控制，考虑到边墙和坝面上交汇对大流量水流的影响极大，可得出以下三个结论：第一，在四孔均开调度原则中的1开孔状态和2开孔状态两种情况下，围绕数值模拟分析并对堰面流态、挑距、河底压强、坝下河道流速等各开启方式下的参考因素进行对比能够确定，四孔均开调度原则下的1开孔状态表现更为出色；第二，在五孔均开调度原则下将所有孔均开启时，通过针对性的数值模拟分析，综合堰面流态、挑距、河底压强、坝下河道流速等参考因素，可确定坝面的水流在五孔均开调度原则下相较于四孔均开调度原则较薄，这使得其在对下游河道存在较小的冲刷危害，因此五孔均开调度原则更具优势；第三，在坝面水流扩散度方面，五孔均开调度原则存在着在更大的坝面水流扩散度，同时存在均匀稳定且较薄的水舌挑流，因此，其对下游河道存在较小的冲刷危害。结合上述对比，案例水库应选择五孔均开调度原则，可由此得到水流稳定的闸门开孔挑舌，大坝、下游河道的可靠性和安全性也能够更好得到保障，同时消能效果也能够较好满足。

4 结 论

综上所述，正常运行水位大流量泄洪闸门调度方式选择带来的影响较为深远。在此基础上，本文涉及的物理模型、数学模型、闸孔挑流形态、上游流速对比、上游表面流线、四孔均开调度原则、五孔均开调度原则等内容，则直观展示了泄洪闸门调度方式选择方法。为更好选择泄洪闸门调度方式，智能化仿真研究同样需要得到重视。