漫水湾闸坝工程海漫水毁整治设计及数值模拟

王 俊，谢新生，张冰菡

（1．四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；2.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄 050000）

漫水湾闸坝工程海漫水毁整治设计及数值模拟

王 俊1，谢新生1，张冰菡2

（1．四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；2.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄 050000）

大桥水库灌区漫水湾闸坝工程多年来经洪水冲刷，损毁严重，危及工程的安全运行。通过理论计算分析海漫段水毁的主要原因，提出整治方案，选取较为可行的标准k-ε模型、VOF二相流法、有限体积法及SIMPLE算法作为研究漫水湾闸坝流场的模拟手段，利用FLUENT软件对漫水湾闸坝下游海漫段整治前后的闸坝泄流进行三维流场数值模拟，分别得到校核工况下闸坝下游整治前后的泄流流态和压力场等模拟结果；分析表明：整治后海漫段水流的消能情况基本消失，受力情况和流态情况均有较大的改善；研究结果可为闸坝工程的水毁修复提供参考。

漫水湾闸坝工程；海漫；FLUENT；数值模拟

Abstract:Daqiao Reservoir Irrigation District Manshuiwan dam project over the years by the flood erosion,serious damage,endangering the safe operation of the project.Through the theoretical calculation and analysis of the main causes of water damage,the proposed method is proposed,and the feasible standard k-ε model,VOF two-phase flow method,finite volume method and SIMPLE algorithm are selected as the simulation The FLUENT software was used to simulate the three-dimensional flowfield of the dam discharge before and after the renovation of the Manchuwan section of the downstream of the Manchuwan dam.The discharge flowand pressure field before and after the downstream of the dam were obtained under the check condition The results showthat the energy dissipation ofthe water flowafter the remediation is basically gone,and the stress and flowconditions are greatlyimproved.The results can provide a reference for the damrestoration.

Keywords:Manshuiwan damproject,sea man,FLUENTand the value simulation

四川省大桥水库灌区一期工程是以灌溉为主，结合工业及城镇生活供水，兼有农村人畜饮水等综合利用的水利工程，设计灌溉面积为21.6万亩。漫水湾闸坝工程是大桥水库灌区一期工程的重要组成部分，在保障取水、改善民生等方面的意义重大。

多年来经洪水冲刷，漫水湾闸坝工程消力池下游局部基础已被掏蚀、海漫被冲刷出多处深坑，严重危及工程安全；而历年来对海漫的常规修复投资大、寿命短。故本文通过计算分析漫水湾海漫段水毁的主要原因，然后提出整治方案，并对整治前后的闸坝泄流进行模拟计算，通过对比模拟结果来验证整治方案是否可行；从中得到具有普遍适用性的经验。

1 计算分析及整治方案

1.1 主要建筑物尺寸

本文主要对大桥水库灌区漫水湾闸坝枢纽的冲沙闸、泄洪闸及下游消能设施、两岸堤防等建筑物进行模拟计算，主要建筑物尺寸如下：

（1）冲沙闸：共两孔，闸孔宽6 m、高6 m，为潜孔；闸高23 m，中墩厚2.5 m，边墩厚2 m。闸底板高程1597.00 m，底板厚3.50 m，闸室长32 m，下游消能采用斜坡式护坦消能。

（2）泄洪闸：三孔表孔布置，孔口宽12.5 m、高8.5 m，闸室长32 m，闸高23 m，闸墩厚3.5 m，闸底板高程1597.00 m；溢流堰断面为流线型，下游消能防冲型式为消力池消能，闸墩结束处消力池底板高程为1595.63 m。

（3）消力结构：消力池底板高程为1595.00 m，海漫底部高程为1589.60 m。

（4）两岸堤防：堤防采用C20钢筋砼护面的碾压砂卵石堤型。堤顶宽度为2.0 m，堤顶设计高程为1605.0 m，河底高程与护坦高程和海漫高程一致。

图1 整治方案纵断面布置图

1.2 海漫段尺寸校核

根据漫水湾枢纽大坝的闸下出流水文资料，30年一遇洪水时，库水位为1612.00 m，下游水位为1603.35 m，泄洪闸下泄流量为900 m3/s，冲沙闸下泄流量为448 m3/s。

1.2.1 长度校核计算

海漫的长度主要取决于上游的消能效果及下游河床地质的抗冲条件；当海漫的长度不满足要求时，不仅将造成下游河床的冲刷，也将使海漫遭受高速水流冲刷而破坏。利用原南京水科所提出的经验公式[1]：

式中：K为计算系数，工程当地河床地质为卵砾石层，取10；q为消力池末端的单宽流量，m3/（s·m）；ΔH为上下游水位差，m；

消力池末端的单宽流量为：

Q/B=1348.00/67.10=20.74 m3/(s·m)；

上下游水位差为：=9.65 m；

计算得海漫长度L=78.09 m；而海漫段的实际长度为45.50 m，远小于78.09 m，不满足要求。

1.2.2 流速校核

当地河床地质为砂卵砾石层，允许流速为1.3 m/s；海漫末端宽94.6 m，下泄流量为1348 m3/s，水面高程为1603.35 m，则海漫末端水深至少为10.96 m；即从海漫末端流速（即下游河床允许流速）的角度考虑，其海漫末端高程不得高于1592.40 m。

现有海漫的底高程为1589.60 m，低于1592.40 m，满足流速要求。

2.2.3 冲刷深度校核

（1）考虑冲刷后单宽流量集中，冲刷深度hp=3.31 m；

（2）考虑砂质河床的地质条件，冲刷深度hp=3.71 m；

根据下游水面高程为1603.35 m，从冲刷深度的角度考虑，海漫的底部高程不得高于1599.64 m；现有海漫的底高程为1589.60 m，满足冲刷深度要求。

由此可知，海漫末端高程能够满足冲刷深度及下游流速的要求，不需要通过设置防冲槽降低水流流速。

1.3 整治方案

工程现状中，消力池部分的结构较为完好；在保留消力池原结构的基础之上，考虑对海漫部分进行回填处理，使海漫段与消力池段之间5.40 m的高差有足够的坡降[2]。

（1）保留原泄洪闸的结构，冲沙闸在分隔墩结束处垂直下挖0.63 m，使分隔墩结束后消力池底板保持为1595.00 m高的平台。此措施为了使冲沙闸的消能发生在分隔墩与海漫段之间的底板上，同时减小分隔墩后冲沙闸与泄洪闸的水流不均匀；消力计算结果见表1。

表1 整治方案消力计算成果表

根据计算结果，泄洪闸和冲沙闸的跃后水深分别为7.16 m、7.26 m均小于下游水深8.35 m，发生淹没式水跃，故不进行调整设计。

（2）调整海漫段的底高程为1592.00 m，海漫段的长度不小于78.09 m。海漫段的首部保持7.00 m长的水平段，然后以1∶11的坡降下降至海漫末端底高程1592.00 m。

海漫段的回填材料采用砂砾石，压实后在海漫首段铺设0.40～0.60 m厚的浆砌石，内设排水孔和反滤层；在海漫后段铺设2层直径大于30 cm的块石，厚0.40～0.60 m，下设10～15 cm厚碎石粗砂垫层。

图2 整治方案纵断面布置图

2 数值模拟计算

2.1 模型建立

计算区域为闸门至海漫下游河床，包括闸室段、消力池段、海漫段、海漫与下游河床连接段。

2.2 计算网格

由于流场计算域范围较大，且重点研究的区域为海漫段，因此划分体网格时，海漫段的网格间距采用0.5 m，与海漫段相的消力池段及下游连接段网格间距采用1.0 m，其他段的体网格尺寸为1.5 m，现状流场共划分网格922942个，整治后流场共划分网格933682个。

2.3 数值计算方法

利用有限体积法，即控制体积法求解定常连续性方程和雷诺时均方程, 并采用标准的紊流模型来封闭方程组[3]。方程的离散采用标准格式，压力与速度的耦合采用SIMPLE算法(压力耦合方程组的半隐式方法)。当计算结果波动变化较小、各变量残差线趋于平缓（小于0.0001）、进出口流量数值大致相等（小于0.5%），可判断结果收敛[4]。

2.4 边界条件设定

根据工程的具体情况，相应的出入口等边界条件设定如下：

（1）进口边界条件

闸墩入口处，将校核洪水位以下的五孔（面）定义为速度进口边界条件（velocity inlet），根据校核洪水工况下相应的上游水位和下泄流量，定义速度的大小为5.00 m/s；同时，定义速度进口边界条件处液体（water-liquid）的比例为1（即100%）。

除下游出口外，所有与空气直接接触的面均设定为压力进口边界条件（pressure inlet），并定义压力大小为大气压值。

（2）出口边界条件：由于进口边界条件中包括pressure inlet，下游出口处设置压力出口边界条件（pressure outlet），压力大小为大气压值。

（3）壁面边界规定为无滑移边界条件。

（4）自由水面的处理：采取函数分别代表体积内所占的体积分数，即VOF法（两相流）进行处理[5]。

3 结果分析

根据上述步骤，对校核工况下的流场进行模拟计算：当遭遇千年一遇的洪水时，库水位为1614.50 m，下游水位为1604.03 m，3孔泄洪闸全开，下泄流量为1400 m3/s；2孔冲沙闸部开启，下泄流量为739 m3/s。

分别对流场整治前后进行数值模拟，得到自由水面线、压力分布及流速分布等计算数据。

3.1 泄洪流态

（1）现状流场水面线与整治后流场水面线对比（取y=22.25 m）：

图3 泄洪闸控制断面（y=22.25 m）水面线整治前后对比

由图3可知，整治前后海漫段处自由水面的变化较大，其他流场区域的水面变化则相对较小；说明了海漫承担消能效果大大减小，整治方案是可行的；同时，也验证了流场未变化区域（即除海漫段以外）的模拟可靠性。

（2）现状流场水面线与整治后流场水面线对比（取x=139.50 m）：

图4 流场横向控制断面（x=139.50 m）水面线整治前后对比

由图4可以看出，整治后流场的水面线波动幅度要远远小于现状流场的水面线；同时，现状流场中靠近两岸岸坡的水面线出现明显的雍高，说明了整治后两岸岸坡受水流的影响也明显减小。

此外，整治前海漫段水流在空气中发生扩散，同时与空气有强烈的掺混，水流的消能现象较为明显；而整治后流场的水流消能在消力池段基本完成，海漫段水流的消能现象也基本消失。

3.2 压强分布

将流场内固体边界（即wall）的压强分布数据导入Tecplot后处理软件，分别得到现状流场和整治后流场的压强分布结果。

表2 现状流场海漫底板最大压强值分布

根据计算结果，底板的压强最大值主要分布在水跃发生的部位，即泄洪闸下游消力池及海漫段，且海漫底板压强最大值为106.86kPa。

表3 整治后海漫底板最大压强值分布

从整治后的计算结果可以看出，海漫段底板的压强明显减小，且海漫底板压强最大值为48.39 kPa。

对比表2和表3，整治后海漫底板压强最大值为48.39 kPa，较工程整治前的106.86 kPa大大减小（减小为现状的45.28%），说明整治方案能有较地改善海漫段的受力情况。

4 结论

本文对三维情况下漫水湾闸坝工程整治前后的闸坝泄流进行水气二相的数值模拟，并通过对比整治前后流场的泄洪流态和压力场等计算结果，得到以下结论：整治后海漫段的水流消能情况基本消失，受力情况和流速分布情况均有较大改善，说明提出的海漫整治方案是合理、可行的。

[1]卢广伟.底流式消能水闸的海漫设计[J].西北水电.2007（02）：22-23.

[2]周文妍,鲍倩.城南水电站闸下水毁修复设计与试验研究[J].浙江水利科技.2011(05):28-31.

[3]陈冲,魏文礼,严建军.基于FLUENT软件的闸后水跃二维数值模拟[J].黑龙江水专学报.2008(04):26-29.

[4]陈为博,杨敏.带有自由表面紊流流场的数值模拟[J].水利水电技术.2004(09)：67-69.

[5]ANSYS，Inc.ANSYSFLUENTUser’sGuide[M].ANSYS，Inc.2011：1190-1197.

Design and Numerical Simulation of Damaged Damage in Manshuiwan Dam Project

Wang Jun,Xie Xinsheng,Zhang Binhan

（College ofWater Resources and Hydropower Engineering,Sichuan University Chengdu 610065,Sichuan The 2nd Surveyand Design Institute,Hebei Provincial Water Conservancyand Hydropower Shijiazhuang050000,Hebei）

TV653

A

2017-05-03

王俊(1992-)，男，云南大理人，硕士研究生，主攻方向：水利水电工程管理。