前坪水库溢洪道过流能力数值模拟研究与应用

苏晓玉，潘亚炜，苏保印，潘 琨，王米米，李松平

（1.河南省科达水利勘测设计有限公司，河南 郑州 450003；2.河南省南阳市方城县柳河镇人民政府，河南 南阳 473200；3.山东中泽工程集团有限公司，山东 菏泽 274008；4.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450003；5.河南省水利科技应用中心，河南 郑州 450003）

1 工程概述

前坪水库位于淮河流域沙颍河支流北汝河上游，水库控制流域面积1 325 km2，总库容5.90亿m3，为Ⅱ等大（2）型工程。溢洪道布置在左岸，轴线总长415 m，其中引水渠长度252 m，闸室段长度35 m，泄槽段长度116 m。堰顶高程403 m，共5孔，每孔净宽15 m，闸室宽度87 m、长度35 m，下接泄槽段和消能段，消能方式采用挑流消能。文章数值模拟与物理模型试验均利用3种特征工况洪水进行研究分析，如表1所示，主要研究溢洪道的泄流能力、水流流态、压力分布、消能冲蚀等复杂的水力学问题。

2 模型构建

2.1 二维模型原理及算法

二维水动力计算模型基本原理如下。

连续方程：

动量方程：

上式中：q为单位面积的源汇强度；H为水深；Z为水位；u和v分别为垂向平均流速在x与y方向的分量；n为糙率；g为重力加速度；vT为水流湍动扩散系数；f0=2ω0sinψ为科氏力系数，ω0地球自转角速度，ψ为计算区域的地理纬度；ρ为水流密度；u0、v0分别为水深平均源汇速度在x、y 方向的分量；τsx和τsy分别表示x、y 方向的水面风应力。计算过程中根据实际情况可以对数学模型进行适当简化忽略风应力、地球科氏力的影响。

2.2 建模范围及网格剖分

采用前坪水库1:1 000比例尺CAD地形图和溢洪道设计图形作为地形资料进行模型构建。建模面积10.46 万m2。网格剖分采用混合网格剖分法，溢洪道0-046断面上游区域采用不规则三角形网格，网格面积控制在3 m2以内，0-046至0+000 断面区域采用不规则四边形网格，网格边长控制在1 m以内，闸墩区域采用不规则三角形网格，网格面积控制在1 m2以内，闸墩以下区域采用不规则四边形网格，网格边长控制在1 m 以内，剖分后网格数67 819个，网格平均面积1.54 m2。

2.3 模型构建过程

首先通过arcgis 及MIKE 21 创建地形文件.mesh；然后在MIKE ZERO 中创建适用于非规则网格的.m21fm 文件；再确定边界条件，文章计算上边界为从溢洪道顶403 m至坝顶424 m，下边界通过溢洪道设计资料切取了模型下边界位置的横断面数据，网格干水深设为0.50 cm，淹没水深为设为5 cm，湿水深设为10 cm；然后设置基本参数和水动力参数，模拟时间设为1 d，计算时间步长设为10 s，初始水深设为0，溢洪道混凝土糙率采用0.018，上游库区天然地形糙率采用0.025；最后输出模型计算结果包括洪水演进过程、洪水统计信息、流量过程。

3 数值模拟和物理试验结果对比分析

3.1 水位泄量关系

前坪水库溢洪道特征水位下设计、Mike数值模拟与模型比尺1∶50 水工模型试验流量结果对比如表2 所示。在施放工况Ⅰ洪水时，数值模拟泄量为8 258 m3/s，水工模型试验实测泄量为7 789 m3/s，差值为469 m3/s；在施放工况Ⅱ洪水时，数值模拟泄量为9 268 m3/s，水工模型试验实测泄量为8 800 m3/s，差值为468 m3/s；在施放工况Ⅲ洪水时，数值模拟泄量为13 079 m3/s，水工模型试验实测泄量为12 867 m3/s，差值为212 m3/s。从对比结果来看，在同等工况下，数值模拟流量比水工模型试验结果偏大，但均满足溢洪道的泄流能力要求。

表2 溢洪道特征水位下水工模型试验实测数据与数值模拟流量结果对比表

3.2 流速分布

前坪水库溢洪道特征水位下Mike数值模拟与水工模型试验流速结果对比如表3所示。

表3 溢洪道特征水位下数值模拟结果与水工模型试验实测流速对比表

在施放工况Ⅰ洪水时，Mike数值模拟平均流速范围6.20～29.20 m/s，水工模型试验实测平均流速范围3.98～22.54 m/s；在施放工况Ⅱ洪水时，Mike 数值模拟平均流速范围6.52～28.54 m/s，水工模型试验实测平均流速范围4.52～26.57 m/s；在施放工况Ⅲ洪水时，Mike 数值模拟平均流速范围7.54～29.57 m/s，水工模型试验实测平均流速范围5.78～27.00 m/s。从对比结果来看，在同等工况下，流速数值模拟结果比水工模型试验结果偏大。

3.3 沿程水面线

在3 种工况洪水下的Mike 数值模拟与水工模型试验沿程水面线对比结果如图1、图2所示，同一工况下，Mike数值模拟溢洪道沿程水面线与水工模型试验结果偏低。由于数值模拟的流量和流速都比水工模型试验实测结果大和数值模拟参数设置不同引起的变化，使Mike 数值模拟沿程水面线比水工模型试验实测结果偏低。

图1 数值模拟计算水位图

图2 物理模型实测水位图

4 结论

文章以前坪水库溢洪道为例，基于MIKE21软件对前坪水库溢洪道的泄流能力、断面流速和沿程水面线等水力性能进行了模拟，其结果与水工模型实测数据对比分析，结果证明：MIKE21软件后处理分析功能中，在流场动态演示及动画制作方面效果往往较好，在溢洪道过流能力数值模拟与水工模型实测值验证过程方面稍有偏差，但基本吻合，均满足设计要求，该研究成果为下一步水工模型试验中数学模型的选取提供参考。