泄洪闸下游局部冲刷坑三维数值模拟

范爱民

西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 咸阳 712100

在泄洪闸开闸放水时，护坦末端的下游河床会被冲刷，尤其是没有保护措施的下游河床更容易被冲刷。当冲刷坑冲刷深度较大并且接近建筑物和侧岸时，将危及下游的防洪安全[1]，甚至引起闸的失事，这为我国水利经济的发展带来了很大的损失。现实中由于冲刷造成的建筑物损坏的事例很多，如龚咀水电站1984年分水墙左侧发现29个冲刷坑，漂木道右侧发现38个冲刷坑，最大冲刷面积达到91m2，最深的冲刷深度达到了3.8m[2]；南津渡水库和马迹塘水电站下游河床都出现了不同程度的冲刷，消能设施遭受破坏[3]。诸如此类的事件较多，每次河床发生冲刷，都给社会经济和安全带来了一定的影响。因此，研究泄洪闸下游的冲刷问题，对于工程的设计及安全运行有着重要意义。

1 下游河床局部冲刷坑三维数值模拟

基于ANSYS Fluent软件平台，采用RNG k-模型、SIMPLE算法、VOF模型追踪下游自由水面，结合动网格构建局部河床冲刷数值模型，对清水来流条件下当卡水电站泄洪闸下游局部冲刷问题进行三维数值模拟研究。

1.1 工程概况

文章研究选择位于曲河中游的当卡水电站，上游距在建查隆通水电站10km，距玉树州府结古镇102km，距西宁市945km，距下拉秀乡20km，交通较为便利。水工模型几何比尺为1∶50，上游水库为定床，下游河床为动床，模型采用有机玻璃制作。当卡水电站泄水闸纵剖面图如图1所示。

图1 当卡水电站泄水闸纵剖面图（单位：m）

1.2 计算区域网格划分及边界条件

运用ANSYS SCDM软件对当卡水电站进行三维建模。采用ICEM CFD软件对模型进行网格划分，网格总数约为350万。

边界条件的设置如图2所示。由图2可见，水流进口采用速度入口边界条件，空气进口采用压力进口，设置下游出口水深，因此选用压力出口作为出水口边界条件。

图2 边界条件设置示意图（单位：m）

2 下游局部冲刷过程研究

2.1 冲刷坑数值模拟结果验证

为了验证基于Fluent软件构建的河床局部冲刷数值模型的可靠性，采用流量为345.36m3/s、400.48m3/s，泥沙粒径为100mm、50mm的组合的三种工况下的数值模拟结果与水工物理模型的试验数据进行对比[4]，冲刷坑深度及冲刷坑长度的对比如表1所示。由表1可见，三种工况下的冲刷坑深度相对误差范围为1.79%～2.91%，冲刷坑长度相对误差范围为2.38%～5.06%，验证结果较好。

表1 冲刷深度及冲刷长度对比

2.2 冲刷坑形态不同时期变化规律

泄洪闸流量为345.36m3/s，泥沙粒径为100mm的工况下，下游河床中轴线局部冲刷过程冲刷坑纵向形态不同时期变化规律如图3所示。由图3可知，下游河床冲刷坑形态随时变化。在河床冲刷过程中，随着下游河床冲刷坑的发展，冲刷坑底部平整床面的范围不断减小，冲刷坑的背水坡及迎水坡也不断变化；在冲刷初期冲刷最为强烈，冲刷坑深度增加到一定程度后，进入冲刷的发展阶段，冲刷坑范围向下游扩张速度有所降低，当达到冲刷末期后，冲刷坑范围及深度基本不再改变。

图3 下游河床冲刷坑纵向形态不同时期变化规律

2.3 床沙粒径对冲刷坑形态的影响

泄洪闸流量为345.36m3/s，泥沙粒径为100mm、50mm的工况下，下游局部河床冲刷末期冲刷坑纵向形态的对比如图4所示。由图4可知，随着泥沙粒径的减小，冲刷坑纵向剖面范围逐渐增大；反之，冲刷坑范围及深度减小。究其原因，是因为床面泥沙粒径越小，需要的泥沙起动流速也越慢。

图4 不同河床沙粒径下冲刷坑纵向形态的对比

2.4 泄流量对冲刷坑形态的影响

泥沙粒径为50mm，泄洪闸流量为345.36m3/s、400.48m3/s的两种工况下，下游局部河床中轴线极限冲刷平衡阶段冲刷坑纵向形态的对比如图5所示。由图5可知，在床面泥刷坑范围及深度是呈现增大趋势的。究其原因，是因为泄流量越大，消力池护坦末端的流速越快，下游河床冲刷程度也就越严重，最终导致河床容易被冲刷。

图5 不同流量下冲刷坑纵向形态的对比

2.5 床面切应力不同时期变化规律

各阶段泄洪闸流量为345.36m3/s，泥沙粒径为100mm的工况下，河床中轴线上的局部冲刷过程床面切应力沿程分布规律如图6所示。

图6 冲刷坑发展过程床面切应力变化

由图6可知，各冲刷阶段床面切应力均沿程先增大后减小，冲刷坑上下游坡面泥沙临界起动切应力均大于平坡临界起动切应力，床面切应力大于临界起动切应力的位置上均发生了冲刷，且切应力峰值基本位于各阶段最大冲刷坑深度位置上。总体来看，床面冲刷区域随冲刷时间发展而减小。

冲刷初期，闸坝下游91.81～127.44m范围床面切应力均大于泥沙临界起动切应力，在闸坝下游101.94m处达到切应力峰值3.5051Pa，远大于床面临界起动切应力，该阶段冲刷坑范围迅速扩大，深度迅速增加。冲刷中期，闸坝下游99.43～111.47m范围床面切应力均大于泥沙临界起动切应力，范围相对于冲刷初期有所减小，在闸坝下游104.84m处达到切应力峰值2.0941Pa，该阶段冲刷坑范围继续向下游扩张，但扩张速度有所降低。极限冲刷平衡阶段，床面切应力峰值位于闸坝下游104.58m处，切应力值为1.1993Pa，小于平坡泥沙起动切应力1.3124Pa，整个下游河床的泥沙都不再起动输移，冲刷坑形态也不再变化。综上所述，床面切应力是影响冲刷坑形态的主要因素，其中对于距离护坦末端比较远的河床水流切应力较小，致使床面没有产生冲刷。

3 结论

文章基于Fluent软件建立了局部河床冲刷数值模型，模拟了当卡水电站下游局部河床冲刷过程，主要得出以下结论：

（1）下游河床冲刷坑形态随时变化，冲刷初期冲刷坑发展最快；冲刷中期冲刷坑深度变化速率减小，范围继续向下游扩张；冲刷末期冲刷坑范围及深度均不再变化。

（2）在同一泄流量不同粒径条件下，下游河床的冲刷坑范围及深度随着床面泥沙粒径增大呈减小趋势；同一粒径不同泄流量条件下，下游河床的冲刷坑范围及深度随着泄流量增大呈增大趋势。

（3）随着下游局部冲刷坑的发展，床面切应力也不断发生变化，是影响冲刷坑形态的主要因素。