泄洪闸下游消能措施的数值模拟研究

魏 雄

(塔里木河流域巴音郭楞管理局 孔雀河下游管理站，新疆 尉犁 841500)

1 研究背景

目前，水力学的研究方法主要有3种，分别是物理模型试验、数值模拟研究、理论计算分析。在以原型为基础模型建立准确的情况下，数值模拟的方式更加经济可靠，可重复性高，可以再现水流的复杂变化过程。

针对闸坝消能的问题目前学者们已经通过相关研究，可以作为本文研究的初步理论和可行性基础。在物理模型方面，对消力池底板抬高的做法有助于提高消能效果，对水库溢洪道消能工采取导墙及挑流面进行优化研究，优化后的消能效果更好[1-3]。数值模拟方面，对狮子崖水库溢流坝挑流消能方案、古委水库泄水建筑物泄洪消能设计进行的数值模拟研究分析，均可以得出其优化前后方案的比较结果，可为水库闸坝的调整及改善提供理论参考[4-5]。

以上对闸坝的消能优化措施的研究，在物理模型试验和数值模拟两方面分别进行研究和探讨，为数值模拟研究提供了可靠的理论基础。本文主要对闸坝下游河道某处进行扩宽处理，来研究其消能的排水效果。

2 数学模型

目前对于数值模拟的方法很多，本文主要采用在水流冲刷性模拟较合理的Flow-3d计算软件，同时对于紊流模型选择较常用的RNGk-ε，因为其在模拟自由表面及水位波动方面具有较好的拟合性，能再现复杂的水流过程[6]。由于只考虑计算的水位、流速及冲刷的影响，本次计算模型网格划分采用规则的结构化方法，将以XYZ三维方向对模型进行划分，具体子单元网格边长为0.25 m，整个网格总数量约为500×104个。

2.1 边界条件

上游河道设置流量边界及初始水位，下游河道设置为自由出流边界，模型上方设置大气压力边界，模型其他位置设置固体边界。

2.2 初始条件

依据闸坝资料设置上游初始水位15 m，模型闸坝下游河道初始水位为10 m；给定的初始流量为Q=120 m3/s，时间步长为0.01 s。

2.3 工程背景及模型的验证

2.3.1 工程背景

清水河在出山口克尔古提水文站处建有清水河引水枢纽，枢纽至东西支分岔口河段，东岸伴行有塔哈其干渠，西岸伴有清水河干渠，此段为河流漫滩，无明显河槽。清水河东西支泄洪闸设计防洪标准为10年一遇，西支泄洪闸设计泄洪流量125 m3/s；东支泄洪闸设计泄洪流量75 m3/s。清水河东西支泄洪闸合计设计泄洪流量200 m3/s，校核泄洪流量225 m3/s。

2.3.2 模型验证

为研究闸坝下游河道扩宽处理对泄洪消能的影响，通过建立数学模型进行试验,以清水河东西支泄洪闸为验证对象，将数值模拟与物理试验的结果进行对比分析，具体结果见图1。

图1 泄洪闸下游水位

由图1可知，将实测的闸坝泄洪水位波动与数值模拟进行对比。结果表明，实测值与数值模拟结果基本吻合，两者误差在1.73%～2.22%之间。本文数学模型建立准确可靠，可以为泄洪闸下游水流消能措施进行研究。

3 泄洪闸下游消能措施数值模拟

3.1 水流流线

对泄洪闸下游河道进行扩宽处理，以增加下游部分瞬时存水量，形成一个类似消力池，以降低泄洪大流量下对下游的冲刷。为研究泄洪对下游水位的影响进行数值模拟，具体见图2。

根据图2可知，沿泄洪闸水流流动方向，流线在闸室附近处较高，随后在河道扩宽段处降低变得平缓，之后流线缓慢变动，对下游河道影响减小。因此，在泄洪闸下游扩宽河道对减缓河道流线变化和波动效果较好。

3.2 沿层流速

泄洪闸下游流速是较关键的参数，流速的波动快慢、大小将影响下游的河床及边坡的稳定。为此，本文就泄洪闸下游河道扩宽处理后的流速进行模拟。试验选择沿水流方向10个测点进行统计，将数值模拟的结果和实测的结果进行汇总，具体见图3。

图2 扩宽后下游流线图(单位：m)

图3 扩宽后下游平均流速

由图3可知，由于泄洪闸下游水流碰撞及交汇消耗部分能量，沿水流方向流速在缓慢减小。同时可知，下游扩宽后在测点3开始流速减小较明显，流速相对较稳定。

3.3 消能率

对于水力学消能率的计算方式有很多，本文采用比较通用的消能率计算公式。具体公式如下：

式中：E1、E2分别为上下游计算断面的总能量；H1、H2分别为上下游计算断面的水深；v1、v2分别为上下游计算断面的平均流速；α1、α2分别为上下游进出口断面流速系数，取1[6]。

同时根据计算公式，将各个断面的能量进行划分，具体见表1。

由表1可知，泄洪闸下游扩宽后对瞬时泄洪进入下游有提高消能的效果，扩宽部分河宽使得下游的水流交汇横断面积增加，水流的相互碰撞、汇流机会增加，消耗部分能量。泄洪闸下游河道扩宽有助于水流能量的消耗，在施工及技术上方便可靠。

表1 消能率

4 结 论

1) 通过试验值与数值模拟值比较可知，在对于泄洪闸这类的复杂水力学问题，可以借助计算机软件进行模拟，经济方便、准确性较高。

2) 对泄洪闸下游河道进行扩宽处理后，沿水流方向流线在闸室附近较高，随后在河道扩宽段降低变得平缓，之后流线缓慢变动，对下游河道影响减小。

3) 泄洪闸泄洪水流进入下游，下游扩宽后使得下游水流交汇横断面积增加，因此水流的相互碰撞、汇流时间及次数增加，消耗部分水流能量，增加下游的消能率且保证水流流速稳定。因此，在泄洪闸下游扩宽河道对减缓河道流线变化和波动效果较好。