王 俊，謝新生，張冰菡

（1．四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，河北 石家莊 050000）

漫水灣閘壩工程海漫水毀整治設(shè)計及數(shù)值模擬

王 俊1，謝新生1，張冰菡2

（1．四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，河北 石家莊 050000）

大橋水庫灌區(qū)漫水灣閘壩工程多年來經(jīng)洪水沖刷，損毀嚴(yán)重，危及工程的安全運行。通過理論計算分析海漫段水毀的主要原因，提出整治方案，選取較為可行的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、VOF二相流法、有限體積法及SIMPLE算法作為研究漫水灣閘壩流場的模擬手段，利用FLUENT軟件對漫水灣閘壩下游海漫段整治前后的閘壩泄流進(jìn)行三維流場數(shù)值模擬，分別得到校核工況下閘壩下游整治前后的泄流流態(tài)和壓力場等模擬結(jié)果；分析表明：整治后海漫段水流的消能情況基本消失，受力情況和流態(tài)情況均有較大的改善；研究結(jié)果可為閘壩工程的水毀修復(fù)提供參考。

漫水灣閘壩工程；海漫；FLUENT；數(shù)值模擬

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

四川省大橋水庫灌區(qū)一期工程是以灌溉為主，結(jié)合工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水，兼有農(nóng)村人畜飲水等綜合利用的水利工程，設(shè)計灌溉面積為21.6萬畝。漫水灣閘壩工程是大橋水庫灌區(qū)一期工程的重要組成部分，在保障取水、改善民生等方面的意義重大。

多年來經(jīng)洪水沖刷，漫水灣閘壩工程消力池下游局部基礎(chǔ)已被掏蝕、海漫被沖刷出多處深坑，嚴(yán)重危及工程安全；而歷年來對海漫的常規(guī)修復(fù)投資大、壽命短。故本文通過計算分析漫水灣海漫段水毀的主要原因，然后提出整治方案，并對整治前后的閘壩泄流進(jìn)行模擬計算，通過對比模擬結(jié)果來驗證整治方案是否可行；從中得到具有普遍適用性的經(jīng)驗。

1 計算分析及整治方案

1.1 主要建筑物尺寸

本文主要對大橋水庫灌區(qū)漫水灣閘壩樞紐的沖沙閘、泄洪閘及下游消能設(shè)施、兩岸堤防等建筑物進(jìn)行模擬計算，主要建筑物尺寸如下：

（1）沖沙閘：共兩孔，閘孔寬6 m、高6 m，為潛孔；閘高23 m，中墩厚2.5 m，邊墩厚2 m。閘底板高程1597.00 m，底板厚3.50 m，閘室長32 m，下游消能采用斜坡式護(hù)坦消能。

（2）泄洪閘：三孔表孔布置，孔口寬12.5 m、高8.5 m，閘室長32 m，閘高23 m，閘墩厚3.5 m，閘底板高程1597.00 m；溢流堰斷面為流線型，下游消能防沖型式為消力池消能，閘墩結(jié)束處消力池底板高程為1595.63 m。

（3）消力結(jié)構(gòu)：消力池底板高程為1595.00 m，海漫底部高程為1589.60 m。

（4）兩岸堤防：堤防采用C20鋼筋砼護(hù)面的碾壓砂卵石堤型。堤頂寬度為2.0 m，堤頂設(shè)計高程為1605.0 m，河底高程與護(hù)坦高程和海漫高程一致。

圖1 整治方案縱斷面布置圖

1.2 海漫段尺寸校核

根據(jù)漫水灣樞紐大壩的閘下出流水文資料，30年一遇洪水時，庫水位為1612.00 m，下游水位為1603.35 m，泄洪閘下泄流量為900 m3/s，沖沙閘下泄流量為448 m3/s。

1.2.1 長度校核計算

海漫的長度主要取決于上游的消能效果及下游河床地質(zhì)的抗沖條件；當(dāng)海漫的長度不滿足要求時，不僅將造成下游河床的沖刷，也將使海漫遭受高速水流沖刷而破壞。利用原南京水科所提出的經(jīng)驗公式[1]：

式中：K為計算系數(shù)，工程當(dāng)?shù)睾哟驳刭|(zhì)為卵礫石層，取10；q為消力池末端的單寬流量，m3/（s·m）；ΔH為上下游水位差，m；

消力池末端的單寬流量為：

Q/B=1348.00/67.10=20.74 m3/(s·m)；

上下游水位差為：=9.65 m；

計算得海漫長度L=78.09 m；而海漫段的實際長度為45.50 m，遠(yuǎn)小于78.09 m，不滿足要求。

1.2.2 流速校核

當(dāng)?shù)睾哟驳刭|(zhì)為砂卵礫石層，允許流速為1.3 m/s；海漫末端寬94.6 m，下泄流量為1348 m3/s，水面高程為1603.35 m，則海漫末端水深至少為10.96 m；即從海漫末端流速（即下游河床允許流速）的角度考慮，其海漫末端高程不得高于1592.40 m。

現(xiàn)有海漫的底高程為1589.60 m，低于1592.40 m，滿足流速要求。

2.2.3 沖刷深度校核

（1）考慮沖刷后單寬流量集中，沖刷深度hp=3.31 m；

（2）考慮砂質(zhì)河床的地質(zhì)條件，沖刷深度hp=3.71 m；

根據(jù)下游水面高程為1603.35 m，從沖刷深度的角度考慮，海漫的底部高程不得高于1599.64 m；現(xiàn)有海漫的底高程為1589.60 m，滿足沖刷深度要求。

由此可知，海漫末端高程能夠滿足沖刷深度及下游流速的要求，不需要通過設(shè)置防沖槽降低水流流速。

1.3 整治方案

工程現(xiàn)狀中，消力池部分的結(jié)構(gòu)較為完好；在保留消力池原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，考慮對海漫部分進(jìn)行回填處理，使海漫段與消力池段之間5.40 m的高差有足夠的坡降[2]。

（1）保留原泄洪閘的結(jié)構(gòu)，沖沙閘在分隔墩結(jié)束處垂直下挖0.63 m，使分隔墩結(jié)束后消力池底板保持為1595.00 m高的平臺。此措施為了使沖沙閘的消能發(fā)生在分隔墩與海漫段之間的底板上，同時減小分隔墩后沖沙閘與泄洪閘的水流不均勻；消力計算結(jié)果見表1。

表1 整治方案消力計算成果表

根據(jù)計算結(jié)果，泄洪閘和沖沙閘的躍后水深分別為7.16 m、7.26 m均小于下游水深8.35 m，發(fā)生淹沒式水躍，故不進(jìn)行調(diào)整設(shè)計。

（2）調(diào)整海漫段的底高程為1592.00 m，海漫段的長度不小于78.09 m。海漫段的首部保持7.00 m長的水平段，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礫石，壓實后在海漫首段鋪設(shè)0.40～0.60 m厚的漿砌石，內(nèi)設(shè)排水孔和反濾層；在海漫后段鋪設(shè)2層直徑大于30 cm的塊石，厚0.40～0.60 m，下設(shè)10～15 cm厚碎石粗砂墊層。

圖2 整治方案縱斷面布置圖

2 數(shù)值模擬計算

2.1 模型建立

計算區(qū)域為閘門至海漫下游河床，包括閘室段、消力池段、海漫段、海漫與下游河床連接段。

2.2 計算網(wǎng)格

由于流場計算域范圍較大，且重點研究的區(qū)域為海漫段，因此劃分體網(wǎng)格時，海漫段的網(wǎng)格間距采用0.5 m，與海漫段相的消力池段及下游連接段網(wǎng)格間距采用1.0 m，其他段的體網(wǎng)格尺寸為1.5 m，現(xiàn)狀流場共劃分網(wǎng)格922942個，整治后流場共劃分網(wǎng)格933682個。

2.3 數(shù)值計算方法

利用有限體積法，即控制體積法求解定常連續(xù)性方程和雷諾時均方程, 并采用標(biāo)準(zhǔn)的紊流模型來封閉方程組[3]。方程的離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法(壓力耦合方程組的半隱式方法)。當(dāng)計算結(jié)果波動變化較小、各變量殘差線趨于平緩（小于0.0001）、進(jìn)出口流量數(shù)值大致相等（小于0.5%），可判斷結(jié)果收斂[4]。

2.4 邊界條件設(shè)定

根據(jù)工程的具體情況，相應(yīng)的出入口等邊界條件設(shè)定如下：

（1）進(jìn)口邊界條件

閘墩入口處，將校核洪水位以下的五孔（面）定義為速度進(jìn)口邊界條件（velocity inlet），根據(jù)校核洪水工況下相應(yīng)的上游水位和下泄流量，定義速度的大小為5.00 m/s；同時，定義速度進(jìn)口邊界條件處液體（water-liquid）的比例為1（即100%）。

除下游出口外，所有與空氣直接接觸的面均設(shè)定為壓力進(jìn)口邊界條件（pressure inlet），并定義壓力大小為大氣壓值。

（2）出口邊界條件：由于進(jìn)口邊界條件中包括pressure inlet，下游出口處設(shè)置壓力出口邊界條件（pressure outlet），壓力大小為大氣壓值。

（3）壁面邊界規(guī)定為無滑移邊界條件。

（4）自由水面的處理：采取函數(shù)分別代表體積內(nèi)所占的體積分?jǐn)?shù)，即VOF法（兩相流）進(jìn)行處理[5]。

3 結(jié)果分析

根據(jù)上述步驟，對校核工況下的流場進(jìn)行模擬計算：當(dāng)遭遇千年一遇的洪水時，庫水位為1614.50 m，下游水位為1604.03 m，3孔泄洪閘全開，下泄流量為1400 m3/s；2孔沖沙閘部開啟，下泄流量為739 m3/s。

分別對流場整治前后進(jìn)行數(shù)值模擬，得到自由水面線、壓力分布及流速分布等計算數(shù)據(jù)。

3.1 泄洪流態(tài)

（1）現(xiàn)狀流場水面線與整治后流場水面線對比（取y=22.25 m）：

圖3 泄洪閘控制斷面（y=22.25 m）水面線整治前后對比

由圖3可知，整治前后海漫段處自由水面的變化較大，其他流場區(qū)域的水面變化則相對較??；說明了海漫承擔(dān)消能效果大大減小，整治方案是可行的；同時，也驗證了流場未變化區(qū)域（即除海漫段以外）的模擬可靠性。

（2）現(xiàn)狀流場水面線與整治后流場水面線對比（取x=139.50 m）：

圖4 流場橫向控制斷面（x=139.50 m）水面線整治前后對比

由圖4可以看出，整治后流場的水面線波動幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)狀流場的水面線；同時，現(xiàn)狀流場中靠近兩岸岸坡的水面線出現(xiàn)明顯的雍高，說明了整治后兩岸岸坡受水流的影響也明顯減小。

此外，整治前海漫段水流在空氣中發(fā)生擴(kuò)散，同時與空氣有強烈的摻混，水流的消能現(xiàn)象較為明顯；而整治后流場的水流消能在消力池段基本完成，海漫段水流的消能現(xiàn)象也基本消失。

3.2 壓強分布

將流場內(nèi)固體邊界（即wall）的壓強分布數(shù)據(jù)導(dǎo)入Tecplot后處理軟件，分別得到現(xiàn)狀流場和整治后流場的壓強分布結(jié)果。

表2 現(xiàn)狀流場海漫底板最大壓強值分布

根據(jù)計算結(jié)果，底板的壓強最大值主要分布在水躍發(fā)生的部位，即泄洪閘下游消力池及海漫段，且海漫底板壓強最大值為106.86kPa。

表3 整治后海漫底板最大壓強值分布

從整治后的計算結(jié)果可以看出，海漫段底板的壓強明顯減小，且海漫底板壓強最大值為48.39 kPa。

對比表2和表3，整治后海漫底板壓強最大值為48.39 kPa，較工程整治前的106.86 kPa大大減?。p小為現(xiàn)狀的45.28%），說明整治方案能有較地改善海漫段的受力情況。

4 結(jié)論

本文對三維情況下漫水灣閘壩工程整治前后的閘壩泄流進(jìn)行水氣二相的數(shù)值模擬，并通過對比整治前后流場的泄洪流態(tài)和壓力場等計算結(jié)果，得到以下結(jié)論：整治后海漫段的水流消能情況基本消失，受力情況和流速分布情況均有較大改善，說明提出的海漫整治方案是合理、可行的。

[1]盧廣偉.底流式消能水閘的海漫設(shè)計[J].西北水電.2007（02）：22-23.

[2]周文妍,鮑倩.城南水電站閘下水毀修復(fù)設(shè)計與試驗研究[J].浙江水利科技.2011(05):28-31.

[3]陳沖,魏文禮,嚴(yán)建軍.基于FLUENT軟件的閘后水躍二維數(shù)值模擬[J].黑龍江水專學(xué)報.2008(04):26-29.

[4]陳為博,楊敏.帶有自由表面紊流流場的數(shù)值模擬[J].水利水電技術(shù).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，碩士研究生，主攻方向：水利水電工程管理。