浅层水库几何形状对泄流口水力特性与水沙特征影响研究

李慧超

(韶关市曲江区水利工程建设与防御服务中心，广东 韶关 512000)

1 工程概况

由于粤北地区经济发展不平衡，特别是脱贫攻坚刚刚走完第一程，有效巩固脱贫攻坚成果乃是地区发展的重要保障。从水利安全性角度考虑，在粤北清远北江流域新建一浅层水库，可有效缓解地区用水紧张问题。设计水库总库容为2200万m3，设计输水灌渠长度为45 km，建设供水中枢调压塔结构3～4座，进、出水口最大设计流量为50 m3/s，且按照冲淤排沙要求，在各过流口均设置有排沙闸或拦污栅等水工设施，其中距离输水灌渠首最近调压塔设计有拦污栅，作为净化水质第一道防线，拦污栅剖面为网格状，采用水工幕墙式设计结构，栅墩厚度为1.2 m，可承受动水压力与拉应力耦合作用，设计墩身上最大压强可达1.2 MPa。另在北江拟建水库距离清远市区为95 km，枢纽工程包括防洪大坝、泄洪闸、溢洪道及引水工程等，其中主坝体最高为35.2 m，采用混凝土重力式大坝与土石坝组合形式，坝顶宽度为3 m，采用防渗面板与止水薄膜防渗系统，确保全坝体最大渗透坡降不超过0.25，但由于本工程中水库几何形状还未确定，故上游水头压力及库边缘对坝体渗透冲击等均存在不确定性。

溢洪道采用弧形阶梯式溢流面，由于溢洪道的设计与水库下游联系性更强，因而水库剖面几何形态对溢洪道体型设计并无显著影响，该溢洪道共有22级阶梯式溢流面，溢流面中部采用多坎高式设计，有效减弱水力冲击作用对下游水工结构冲蚀效应。引水工程目前已随输水灌渠的前期建设逐步投入运营，但其引水效率最大化仍与水库几何剖面中势能最高处有关。泄流口包括有泄洪闸与支臂式弧形闸门，其中闸口净宽为3.5 m，采用多孔式结构设计，闸门面板厚度为0.4 m，设计最大开度为宽度的95%，最大泄流量可达158 m3/s，整个水库流域内共有4个泄流口，此为北江拟建水库最大泄流口，位于水库东北角，该泄流口也由于水库几何形状等原因，其拦沙结构与渗流通道体型设计均处于待优化状态，图1即为典型模型试验研究的水库泄流口设计[1]。针对性研究泄流口处水力特征与水沙演变对推动安全泄洪、有效泄洪具有重要意义。

图1 水库泄流口模型试验设计示意图

2 仿真分析

根据对北江拟建水库工程场地踏勘分析，并结合已有文献研究成果可知[2]，水库地形剖面类型主要有三种，如图2所示。此三种剖面形状与水库地形、中轴线夹角等密切相关，本文主要以凸形水库、直形水库、凹形水库作为分析对象，研究三种剖面形状水库下泄流口处水力特性与含沙特征。

图2 水库地形剖面类型

根据三种不同几何剖面形状，分别在各方案水库的最佳泄流口处展开分析，泄流口分别位于OZ轴正方向最大处，所有几何剖面方案水库中均以常规底缘前后倾45°闸门作为挡水结构，支臂式闸门体型如图3所示。

图3 支臂式闸门体型

利用ANSYS建立泄流口模型概化图，如图4所示，研究范围涉及泄流口过流闸门上、下游长度2.5 m，另在过流上游按照水质净化要求，设置有拦污栅结构，下游消能挡墙结构位于轴线距离5 m 远处。本文采用Fluent渗流计算平台进行网格划分，共获得微单元体336 826个，节点数26 852个，闸门按照一级防渗设计。上游拦污栅结构与过流闸门均按照水平向自由度边界条件设置，仅法向方向具有调整，泄流口两侧边缘均视为约束零变形条件。由三种几何剖面形状水库的泄流分析可知，在各自几何剖面上所能发生的最大泄流分别为设计标准值(158 m3/s)的60%、75%、90%，故三种方案在计算过程中所能承担的最大泄流量分别为94 m3/s、118 m3/s、142 m3/s。本文为方便单一变量因素分析，所有水库泄流量方案均设定为70 m3/s、100 m3/s、130 m3/s，过流闸门开度均按照泄流口正常运营下最大开度设定。来水流量中初始含沙量按照北江平均值4 kg/m3设定，基于上述三种几何剖面开展水力特性与水沙特征对比分析。

图4 闸门整体模型概化

3 水库几何形状与水力特性关系

3.1 水位变化特征

根据对三种几何形状水库泄流口水力特征参数计算，获得不同流量工况下泄流口处上、下游各断面水位变化特征，如图5所示。

从图中可知，三种流量工况下泄流口处水位均在过闸区段处发生较大波幅，特别是随上游流量增大，过闸水位降幅愈显著；以A类凸形水库为例，当上游流量为70 m3/s时，在过闸口处水位最大降幅为18%，而流量为100 m3/s、130 m3/s时，相应的降幅分别可达27.5%、32.9%。此种现象在B、C类剖面形状水库中依然如此，但对比之下C类凹形水库水位在过闸处降幅最大，在上游流量70 m3/s、130 m3/s时分别可达86.7%、92.1%。分析表明，当上游流量愈大，不同几何剖面形状水库泄流口过闸水位降幅愈大，但C类凹形剖面水库在较大“进水口”基础上，降幅最显著。对比泄流口上游段水位特性可知，在相同流量下，以C类凹形水库水位最大，流量100 m3/s工况中，在上游距离闸门80 m处C类凸形水库泄流口水位为45.3 m，而A、B类水库水位较前者分别减少了56.7%、36.7%；从上游水位整体来看，在流量100 m3/s下A、B类剖面水库水位较C类整体上分别具有差幅53.7%～58.5%、33.3%～36.9%；而C类剖面水库的上游断面在流量70～130 m3/s下平均水位特征值分别为22.86 m、31.91 m、45.43 m，流量100 m3/s 下A、B类水库平均水位特征值较之分别减少了32.5%、56.3%。由此表明，C类凹形水库泄流口阻流、摩擦效应较弱，对水流进入泄流口限制较弱，有助于提升泄流口工作效率[3]。从过闸后下游水位变化可知，三种不同几何剖面形状水库泄流口水位特征与上游趋势有所扭转，A、B类凸形水库在下游断面上具有更高的水位，流量70 m3/s下该两类水库在该区间断面上平均水位特征值分别可达8.48 m、5.6 m，而C类型水库较前者分别减少了66.6%、49.5%，此种差异随来水流量增大后，差异有所减小。笔者认为，A、B类水库设计最大泄流量分别为94 m3/s、118 m3/s，而当来水流量接近设计最大值后，泄流口处下游水流受到大量的促进、激发，进而表现水位较大。另一方面，下游水位增大的同时，也导致了下游水位起伏较大，流量100 m3/s中A类、B类水库在下游断面上最大波幅分别超过26.5%、8.5%，此也与泄流量接近设计最大值有关。综合分析讨论认为，A、B类几何剖面水库泄流口上游进水口能力弱于C类，过闸控制能力以C类水库更显著，而下游水位稳定程度同样以C类剖面水库为佳。

图5 各断面上水位变化特征

3.2 闸门压强特征

为分析不同几何剖面形状水库泄流口过闸断面水流压强变化特征，在闸门面板上分别设定有8个测点，如图6所示，基于面板上不同测点处压强特征，获得水库几何剖面形状对泄流口闸门面板压强影响变化，如图7所示。

图6 计算测点示意图

图7 闸门上压强变化特征

从压强变化特征可知，在低流量70 m3/s下A、B类型水库压强分别在第5#测点处发生显著下降态势，而高流量130 m3/s下A、B类型水库在第4#测点即发生显著下降，相比低流量下测点有所提前。对比三种几何形状水库的泄流口闸门面板压强特征可知，愈靠近面板顶部，则压强愈低，流量70 m3/s下A类型水库在1#、2#测点处压强分别为27.98 kPa、25.80 kPa，而8#测点处压强较前者分别减小了82.6%、81.1%，在A类型水库泄流闸门面板上压强随测点平均降幅为21.1%，而B、C类水库的平均降幅分别为32.7%、46.2%。笔者认为，当水库几何剖面设计形状更利于泄流口通流时，闸门面板上压强较小，且更具整体性，面板承受抗压效果更佳，此也印证了C型水库更有利于控制过闸流量。从压强分布可知，在相同流量70 m3/s下，C类型水库压强分布为0.036～14.870 kPa，而A、B类水库泄流口压强较前者分别具有增幅88.1%～13.2倍、53.1%～2.5倍；与之同时，流量增大后，各类型水库泄流口压强减小，A类型水库在流量130 m3/s下减少了26.1%～37.1%，而B、C类型水库相比分别减少了13.7%～36.1%、9.1%～27.5%，且高流量下C类型水库中具有长距离的零压强分布，即C类型水库泄流口面板在高流量下开度与设计值契合于上游流量。

4 水库几何形状与水沙特征关系

水沙特征是泄流口冲淤排沙的重要体现，而水库几何剖面形状对此具有重要影响，本文根据三种几何剖面形状水库泄流口设计，设定流量100 m3/s，获得不同运营累计年限下泄流口全断面上含沙量变化特征，如图8所示。

从图中可知，相同流量下运营累计年限愈大，则含沙量愈大，A类型水库在运营累计100d时全断面上含沙量分布为0.63～1.74 kg/m3，而运营年限200d、400d下泄流口断面含沙量较之分别增大了8.5%～27.2%、59.3%～79.8%；从含沙量平均特征值可知，A类型水库在运营100d时含沙量平均值为1.07 kg/m3，而运营年限每增大100d，则含沙量平均参数值可增长22.4%，而B、C形状水库泄流口断面含沙量平均值的增幅分别为28.3%、17.5%，表明C类型水库含沙量受运营年限影响较小，有助于提升工程设计寿命与运营标准[4]。对比三种类型水库泄流口的含沙量可知，不论运营年限高或低，均以C类凹形水库的泄流口断面含沙量水平最低，在运营年限第200d时A类型水库泄流口含沙量分布为0.80～1.96 kg/m3，断面平均值为1.23 kg/m3，而C类水库中断面含沙量较A类减少了58.5%，当运营年限增大至300 d、400 d、500 d后，C类型水库泄流口断面平均含沙量相比A、B类型水库的差幅越来越大，即运营年限愈长，更能体现C类凹形水库排沙的效果。从泄流口断面上含沙量变化特征可知，同一种几何剖面水库泄流口在不同运营年限下含沙量变化特征基本一致，如A类型水库泄流口在断面0～1.05 m上缓增，当断面超过1.05 m，进入下游后，含沙量陡增态势显著；B类水库泄流口断面含沙量变化转折点位于距离1.05 m处；这两种类型水库都由于几何剖面限制泄流原因，导致排沙效果欠佳，因而在断面上含沙量呈现阶梯式分段态势，C类型水库全断面上含沙量变化较稳定，无阶梯分段效应。综合认为，A、B类型水库泄流口断面含沙量不仅受运营年限影响较大，且具有阶梯层次效应，C类型水库冲沙效果及含沙量分布更为理想。

图8 泄流口轴线断面距离上含沙量特征

5 结 论

(1)流量增大，各类型水库泄流口过闸水位降幅愈显著，C类水库降幅最大；泄流口上游段C类水库水位最大，A、B类水库平均水位特征值较之分别减少56.7%、36.7%；泄流口下游水位以A、B类最大，但水位起伏最显著，最大波幅分别超过26.5%、8.5%。

(2)愈靠近面板顶部，压强愈低，三种形状水库泄流口闸门面板压强随测点平均降幅分别为21.1%、32.7%、46.2%；C型水库泄流口更利于控制过闸流量，流量70 m3/s下A、B类水库面板压强比C类增大88.1%～13.2倍、53.1%～2.5倍；流量增大，闸门面板压强减小，C型水库在流量130 m3/s下具有零压强分布。

(3)同一种水库泄流口含沙量随运营年限变化基本一致，且均为增大态势，三种类型水库含沙量平均值100 d平均增长分别为22.4%、28.3%、17.5%，A、B类水库具有阶梯变化效应，C类水库全断面变化稳定；C类水库含沙量水平最低，且随运营年限与A、B类水库的差距增大。