某水电站泄洪底孔水力学特性的数值模拟研究

王永成，周 涛

（江西省水务集团有限公司，江西 南昌 330000）

1 引言

近几年，由于洪水的影响而导致水工结构建筑发生破坏越来越多[1]，泄洪建筑是水工建筑上游用来排泄多余洪水、保护其下游水利枢纽的重要结构。泄洪建筑物[2，3]主要有溢洪道、溢流坝、泄水口等类型，针对不同的水文地质条件与泄洪要求需要选择合适的泄洪建筑形式，因此研究泄洪建筑在运行过程以及施工[4，5]过程中的水力学特性、分析当地水流条件对泄洪建筑的影响便成为研究重点之一，并且研究结果将对保护水利枢纽的水工结构建筑有重要的意义。

本文建立泄洪底孔结构模型并采用有限元软件模拟其水力特性，将结果与实验结果作对比以验证模拟的可靠性，并研究不同工况下泄洪底孔水力特性的差别。

2 数值计算模型

如图1所示，某水电站泄洪底孔的计算区域建立坐标系。X轴为水流方向，取上游35.000 m断面到下游187.300 m断面为计算区域；Y轴为水流断面方向，取值为0～46 m；Z轴为水位高程，取值为1 230.0～1 294.0 m。上游计算域的左边界为速度入口（水流项）及压力入口（空气项），其中速度为v=0.44 m/s，总压强为标准大气压，上边界为压强入口。

图1 计算模型

计算模型中的泄洪底孔主要有两部分组成：有压段和明渠段。利用有限元软件对计算模型进行网格的划分，其中有压段如图2所示，明渠段如图3所示，明渠段的侧墙部分为20 m。

图2 有压段网格划分

图3 明渠段网格划分

分别设置设计工况（水位为1 282 m）与校核工况（水位为1 282.64 m），将两个工况的计算结果分别与实验结果相对比，可以使对泄洪底孔的水力学模拟结果更加可靠。

3 数值计算结果分析

3.1 水面线与水流流态

由于数值模拟得到的水面线是一个具有水-气二相的界面，因此在结果分析中利用体积分数作为水面线的表现形式。从图4中可以很容易看出，设计工况下（图a）的水面线分布情况与校核工况下（图b）的水面线基本相同，因此可以说明模型选用比较可靠，工况的设置也符合实际。

图4 不同工况水面线

为进一步验证有限元软件在模拟结果的可靠性，将泄洪底孔在闸门全开状态下经过模拟得到的流量与实验得到的流量列入表1进行对比。由表1可知，无论是设计工况还是校核工况，有限元软件的模拟结果与实验结果的误差很小。对于设计工况，模拟与实验结果的误差为1.64%，而校核工况下的误差与设计工况相比更小，仅有1.61%。这个结果更加进一步证明了有限元软件模拟的可靠性。

表1 泄洪底孔流量

3.2 沿程水位分布

图5展示了明渠段设计工况以及校核工况下在y=23 m处不同断面的实验实测水位和模拟计算水位对比。图中不难发现，设计工况图5（a）中的实测水位与模拟所得水位相差不大，随着断面向X轴向不断延伸，实测水位先由1 240 m逐渐减小，在85.600 m断面出达到最小值，随后水位逐渐增大但整个过程中的水位均小于设计洪水水位高度，计算所得水位同样由1 240.1 m开始先逐渐减小，不同的是，在76.600 m断面处达到最小值，随后与实测水位变化规律相同逐渐增大，整个过程中的水位均小于设计洪水水位高度。

图5 明渠段沿程水位

校核工况图5（b）中的实测水位与计算所得水位也相差不大，随着断面向X轴正向的不断延伸，实测水位由1 240 m逐渐减小，并在85.600 m断面处达到最小值，随后水位逐渐增大，计算所得水位由1 240 m为起始水位并逐渐减小，在与实测水位相同的断面位置处达到最小值，随后与实测水位变化规律相同逐渐增大。在模拟以及实验过程中，水位均小于校核洪水水位高度，设计工况下实测水位与模拟水位的平均误差为0.05 m，校核工况下的平均误差为0.03 m，都在可接受范围内，因此说明模拟计算与实验结果的整体拟合性较好，模拟得到的结果可以作为设计依据。

3.3 压强水头沿程分布

图6展示了在y=23 m处整个纵剖面在范围内不同断面处两个工况下压强水头的实测值与计算值。

图6 沿程压强水头

图6（a）中可以得到，设计工况下压强水头沿纵剖面，在有压段先逐渐减小，在明渠段内达到最小后沿纵剖面逐渐增大，再一次达到顶峰后转而逐渐减小，在纵剖面的边缘处达到负值。从图6（a）中可以发现，实测值和模拟值在有压段拟合的比较好，曲线基本重合，但在明渠段，虽然实测值和模拟值的压强水头规律曲线走势基本相同，但是每个断面的模拟值均偏大，两条曲线的拟合度不如有压段的拟合度高，设计工况下实测值与模拟值误差最大的断面在x=95.6 m处，误差达到16.6%。

从图6（b）可以发现，校核工况下沿纵剖面的压强水头曲线规律与设计工况相同，即先逐渐减小，在明渠段内达到最小值后沿纵剖面逐渐增大，达到明渠段内的压强水头最大值后逐渐减小，并且在纵剖面的边缘处达到负值。从图6（b）中可以发现，与设计工况相似，实测值和模拟值在有压段的拟合度优于明渠段的拟合度，不同的是，校核工况下实测值与模拟值误差最大的断面在x=73.6 m处，误差达到18.9%。

明渠段发生上述实测值与模拟值误差较大的主要原因，在实验过程中对于压强的测量只是定点测量，即只能测量泄洪底孔结构某个点的压强，而在数值模拟中得到的结果是某一个断面的压强平均值，因此必然会有一定的误差。

3.4 流速的沿程分布

表2、表3给出了不同断面处设计工况与校核工况下的实测流速与模拟流速以及两者之间的误差。从表2、表3中可以明显发现，实测流速普遍小于模拟流速。设计工况下的流速误差最大为-2.12%，发生在断面3处；校核工况下流速的最大误差为-2.4%，发生在断面5的位置处。与压强相同，产生流速误差的最大原因是实验过程中实测的流速为某一测点的流速，而模拟过程得到的流速是某一断面的流速，总体上，流速之间的误差在可接受范围内。

表2 设计工况流速

表3 校核工况流速

从图7中可以得到，无论是设计工况还是校核工况，在明渠段内，泄槽水流流速比较平稳，明渠内的近壁面处由于受到壁面的阻力影响使得流速很小，而远离壁面的位置流速比较大，在挑流鼻坎最高处流速最大，这是由于挑流鼻坎的最高处为尖端，会产生流速的突然增大现象。

图7 明渠段流速云图

4 结论

本文利用有限元软件对泄洪底孔进行了数值计算模拟，设置设计工况与校核工况，将两个工况下的模拟结果与实验所得到的实测结果进行对比，得到结论如下：

（1）模拟得到的设计工况与校核工况下的水面线分布基本一致，说明选取的计算模型并没有偶然性，并且发现挑流鼻坎的设置有效的降低了下游处的水面线。

（2）明渠段内无论是设计工况还是校核工况，实测水位高度与模拟水位基本吻合，两条曲线拟合较好，在明渠段，水位基本呈现先缓慢减小然后逐渐增大的趋势。

（3）有压段和明渠段内的两个工况的压强水头曲线的发展趋势相同，两个工况下有压段内的实测压强与模拟压强曲线拟合比明渠段内的两条曲线拟合度高。有压段入口处的压强最大，而出口处的压强比较小，对于明渠段，在反弧区的压强有所增大，在挑流鼻坎顶端压强出现负值，这是由于水流在此处脱离了坎顶并形成了空腔。

（4）在明渠段内，泄槽水流流速比较平稳，明渠内靠近壁面处的水流流速较小，而远离壁面的水流流速比较大，并且在挑流鼻坎的最高点，水流流速达到最大值。