大藤峡水利枢纽工程二期截流工程数值模拟分析

张 琦，张新荣

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

1 工程概况

大藤峡水利枢纽工程是西江流域黔江干流上的一座以防洪、航运、发电、水资源配置、灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程，工程等别为Ⅰ等，规模为大（1）型。水库总库容34.79×108m3，防洪库容15.00×108m3，电站装机容量1 600 MW，8台机组，多年平均发电量60.62亿kW·h。

工程施工导流采用二期导流方式，一期导流先围左岸，江水由束窄后的右岸河床过流；二期导流围右岸，江水由一期建成的泄水建筑物过流。二期导流标准：下游围堰建筑物级别为4级，设计洪水标准为大汛20年重现期洪水；上游围堰建筑物级别为3级，设计洪水标准为大汛50年重现期洪水。截流洪水标准为11月份5年重现期洪水，设计截流方式采用从右岸一侧单戗堤进占，立堵截流方式。

2 数值模拟目的及内容

2.1 目的及意义

工程二期截流具有来流大、随机性强，截流河段水面宽、深，截流工期紧张、抛填工程量大且强度高，截流方式受交通条件制约等特点、难点。二期截流作为工程关键线路上的重要节点，能否顺利截流将直接影响主体工程的建设工期及后期工程效益的发挥。为保证工程的顺利开展，根据工程进展情况及进度计划安排，利用水力计算软件为分析手段，对不同工况条件下的二期截流过程进行数值模拟，为二期截流方案的设计及决策提供科学依据。

2.2 内容

二期截流受截流时段、龙口宽度、流量大小、相关建筑物布置等诸多因素影响，其方案的制定是一个复杂的过程。为明确各类因素对工程截流的影响，根据目前工程建设情况，对各种可行的截流方案进行数值模拟，重点模拟不同截流方案下的戗堤上下游水位变化、龙口处流速分布和龙口分流情况，分析不同因素对二期截流的影响。模拟内容：预进占时段，一期围堰拆除情况、预留龙口宽度对二期截流的影响；截流时段，一期围堰拆除情况、龙口宽度、截流时段流量对二期截流的影响。

3 数值模拟

3.1 软件选择

目前，国际上用于洪水模拟的软件很多，每一款软件都有其特点及优势，近年来，随着数值模拟技术在水利水电工程建设中的不断推广，洪水模拟软件逐渐被应用于工程中[1，2]。其中，丹麦水资源及水环境研究所（DHI）开发的MIKE软件应用广泛且技术成熟，故此次选用MIKE系列中的水动力学模块MIKE21进行数值模拟计算分析[3]。

3.2 模型构建

3.2.1 模拟范围

模型计算范围的合理选择对于保证模拟结果可靠准确、提高模型计算效率起着关键性的作用，此次选取上游距坝址1.90 km地形变化相对平缓处作为上边界，下边界选择下游距坝址2.65 km有实测水位流量关系的河道横断面处。

3.2.2 模型构建

1）数字地形构建：根据设计图纸及实测地形资料，将数据进行批量处理统一形成高程散点，对模拟区域采用非结构化三角网格进行网格剖分，局部重点区域进行网格加密，最大网格10.0 m，最小0.5 m，并利用高程散点对网格进行差值，构建二维数字地形。

2）水文边界条件：模型上边界选用流量边界，下边界采用坝址下游2.65 km处河道横断面的实测水位流量关系，见图1。

图1 坝址下游2.65 km河道横断面水位与流量关系曲线

3.2.3 参数选择

数值模拟是基于浅水方程的平面二维自由表面流动模拟，河道糙率是影响模拟结果精度的主要参数，考虑河道糙率不仅与河床自身的形状、粗糙程度有关，还随流量的大小而变化，随着一期围堰、纵向围堰及泄水闸等水工建筑物的修建，河道受人类活动影响改变较大，利用原河道实测天然水面线成果对现状河道糙率进行率定误差较大。根据河床岸壁特性及河段平面形态，参考《水力计算手册（第二版）》[4]并结合水工建筑物分布情况，选取0.035作为河道综合糙率。

3.3 模拟工况

此次主要模拟预进占和截流两个时段，研究不同龙口宽度、上游来水流量及一期围堰拆除高程对截流区戗堤上下游水位、龙口处流量流速分布、河道分流比等方面的影响。

根据工期安排，预进占时段采用10月上旬设计标准洪水，相应流量4 350 m3/s。截流时段通常安排在枯水月份的下旬，模拟流量工况：11月下旬5年重现期洪水，相应流量2 380 m3/s；考虑存在提前截流可能，补充10月下旬5年重现期洪水，相应流量3 870 m3/s；受一期围堰拆除高程影响，存在小流量来水时大部分水流从地势相对较低的龙口流出的不利情形，故增加枯水流量1 050 m3/s截流模拟工况。

4 模拟结果及分析

4.1 预进占时段

预进占时段各工况数值模拟计算成果见表1。

表1 预进占时段各工况计算成果统计表

据表1计算成果，发生设计标准洪水时，当预留龙口宽度为100 m，一期围堰拆除至25 m高程时，戗堤上游水位为28.59 m，落差1.16 m，最大流速为4.29 m/s，龙口流量1 748 m3/s，当一期围堰拆除至23 m高程时，戗堤上游水位降低4 cm，龙口最大流速减小0.06 m/s，龙口流量减少55 m3/s，可见，上游来水较大时，河道水位整体偏高，远高于一期围堰拆除高程区间，围堰拆除后高程对于龙口分流量影响较小，戗堤上游水位、龙口流速变化不大。故一期围堰拆除情况对于龙口水位、流速分布影响不显著。

龙口宽度对于分流比影响显著，当一期围堰拆除至25 m高程，随着龙口宽度由200 m缩减至100 m，龙口分流比从96.7%减小至40%，龙口水位落差、流速等水利要素随宽度的减小而逐渐增加。虽然预进占龙口宽度越大，龙口处水位落差、流速等水利要素指标越低，但为了利于后期龙口合龙，充分利用泄水闸分流，预留龙口宽度宜越小越好。依据模拟结果，当预留龙口宽度100 m时，龙口处水位落差、最大流速不大，故预留龙口宽度为100 m是较为合适的。

4.2 截流时段

截流时段各工况数值模拟计算成果见表2。

表2 截流时段各工况计算结果统计汇总表

依据表2计算成果，随着截流洪水流量的增加，龙口处戗堤上下游水位成总体上升趋势，戗堤上游最高水位出现在截流洪水流量3 870 m3/s，龙口宽度剩余20 m，一期围堰拆除至25 m高程工况，但龙口最大流速却并未出现在此工况，枯水流量工况龙口处落差、流速均较大，龙口处水利要素受截流洪水流量和一期围堰拆除情况共同影响。

龙口宽度大小直接影响戗堤上下游水位的高低，当龙口宽度较宽时，戗堤上下游水位偏低并数值接近，龙口处落差较小；当龙口宽度减小时，戗堤上下游水位总体上升，但龙口处落差逐渐增大。

当截流洪水流量较大时，一期围堰拆除高程对于戗堤上下游水位、龙口处流速的分布影响较小；当截流洪水流量较小时，一期围堰拆除高程对于戗堤上下游水位、龙口处流速分布影响较大，主要是由于随着流量、水深的增加，一期围堰对于水流的阻碍程度越来越低。

5 结语

依据各截流方案模拟成果分析，对于大藤峡水利枢纽工程二期截流方案，预进占时段，由于上游来水量大，一期围堰拆除高程对于龙口处水位、流速分布影响不大，为利于后期截流工程合龙，预留龙口宽度100 m较为合适；截流时段，当来水量较小时，一期围堰拆除高程影响龙口分流量明显，宜先将一期围堰拆除至23 m高程。此外，在11月下旬截流优于在10月下旬，建议在11月下旬开展截流。