三峡水库近坝区泥沙输移数值模拟分析

罗伦，沈思敏

（1．广东水科院勘测设计院，广东 广州 510635；2．广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635）

三峡水利枢纽是世界上规模最大的水利工程，其泥沙输移问题一直是众多学者关注的热点。王玲等和魏丽等对三峡水库长江上游水沙变化进行了分析，董年虎等对三峡水库不平衡泥沙的输移规律进行了研究，马琳等对三峡电站过机泥沙含量进行了初步监测分析，黄仁勇等对三峡水库库区水沙输移进行了数值模拟研究。本文搜集大坝上游庙河水文站多年水文泥沙的基础资料，采用MIKE 软件MT 模块对近坝区水域泥沙输移进行了数值模拟研究。

1 工程概况及控制方程

1.1 工程概况

图1为三峡工程枢纽布置示意图。水电站采用坝后式布置方案，其中左电厂和右电厂分别有14 台和12 台机组。

图1 三峡工程枢纽布置图

1.2 控制方程

本文水动力模型主要控制方程为水流连续性方程和不可压缩的Navier-Stokes 方程，在泥沙模拟研究论文中已给出。MIKE 软件中泥沙输运（MT 模块）的控制方程如下：

2 泥沙输运模型建立及率定

2.1 研究区域及网格

本文选取了庙河水文站至坝前部分水域（长度为18.4 km，边线为175 m 高程线）为研究区域，用MIKE软件建立的研究区域数学模型如图2所示。

图2 研究区域数值化地形图

研究区域采用非结构化三角形网格，设定网格内角在27°以上，并对坝前200 m 内区域和某些水深变化大的区域进行局部加密。通过不同数目的网格无关性验证，确定采用的总网格节点数为234300，研究区域整体网格如图3所示。

图3 研究区域整体网格图

2.2 模拟计算设置

本研究采用有限体积法对控制方程进行离散，采用二阶迎风格式进行空间离散。上游和下游分别采用入口流量和出口流量的边界条件。泥沙模型的主要参数为沉速，水平紊动扩散系数，沉积及侵蚀系数等，需根据验证资料进行率定。根据现有资料将泥沙沉速定为常数，时间步长为60s。

2.3 模型的率定与验证

本次选择2010年7月19日的洪峰过程工况来对模型进行率定，得到最终模型采用的主要参数见下表1。图4为当日不同机组进水口泥沙含量模拟值与实测值对比图，发现曲线整体趋势一致，模拟结果接近实测值，说明采用此泥沙运输模型对各机组进水口泥沙含量模拟预测是可行的。

表1 悬沙模型采用的主要参数

图4 不同机组进水口泥沙模拟与实测值对比图（2010．7．19）

3 工况计算与分析

3.1 工况的选择

本文按照水库的调度方式选择四种典型工况来进行近坝区泥沙输运数值模拟计算，选定的工况如表2所示。

表2 选定的四种工况

3.2 不同工况计算结果分析

当机组同步进行检修时，可减少分次检修的不便，故认为各机组泥沙分布均匀的工况为有利机组同步检修的工况。

3．2．1 175m 运行工况结果分析

图5、图6和图7、图8分别为在175m 水位工况1和工况2 条件下，模拟得到的坝前流场和泥沙场分布图。从图5和图7中可看出，在开启的机组进水口处流速较大。从图6和图8中可看出，坝前泥沙含量分布整体呈现从中间向两侧逐渐减小的分布。

图5 工况1 坝前流场分布图

图6 工况1 坝前泥沙场分布图

图7 工况2 坝前流场分布图

图8 工况2 坝前泥沙场分布图

为进一步分析，绘制工况1 和工况2 各机组进水口处含沙量数据的柱状图9和图10。从图9中可看出，1#至26#机组进水口处泥沙含量呈“驼峰”型式，其中在14#机组进水口处泥沙含量达到峰值。从图10中可看出，1#至26#机组进水口处泥沙含量左岸侧小，中间分布较均匀。以上分析发现工况1 条件下，位于主流中间机组较位于两岸机组进水口处含沙量差别较大，不利于同步检修机组。工况2 条件下，中间机组进水口处含沙量分布较均匀，有利机组同步检修。

图9 工况1 各机组进水口位置含沙量数据图

图10 工况2 各机组进水口位置含沙量数据图

3．2．2 145m 运行工况结果分析

图11、图12和图13、图14分别为在145m 水位工况3 和工况4 条件下，模拟得到的坝前流场和泥沙场分布图。图11和图12中可看出，在开启的机组进水口处流速较大，坝前泥沙含量分布整体呈现从中间大两侧小的分布。对比图11和图12，图13和图14中开启泄洪深孔后，坝前水域左岸机组段、中间溢流坝段、右岸机组段附近流速都较大，泥沙分布也发生部分变化，说明深孔开启会改变坝前流场和泥沙场分布。

图11 工况3 坝前流场分布图

图12 工况3 坝前泥沙场分布图

图13 工况4 坝前流场分布图

图14 工况4 坝前泥沙场分布图

图15和图16为工况3 和工况4 各机组进水口位置处含沙量数据图。从图15中可看出，左岸和右岸机组的泥沙含量分别有相应的峰值，其中左岸较右岸含沙量高。从图16中可看出，1#～26#机组进水口处含沙量分布呈 “先增大，后减小”的趋势，在15#机组进水口处含沙量最大，两侧1#和26#机组含沙量最小，主流附近各机组含沙量分布较均匀。

图15 工况3 各机组进水口位置含沙量数据图

图16 工况4 各机组进水口位置含沙量数据图

4 结论

本文采用MIKE 软件MT 模块对三峡水库近坝区水域流场及各机组进水口处泥沙分布特性进行模拟分析。结果表明：

（1）在枯水期175m 水位运行工况下，工况2（开启3#、7#、13#、15#、20#、26#机组）条件下能使各机组泥沙含量分布较均匀，对机组同步检修有利；工况1（开启7#、10#、13#、15#、18#、20#机组）会导致位于主流中间的机组较位于两岸的机组进水口位置处含沙量差别较大，不利于同步检修机组。

（2）在丰水期145m 水位，未开启泄洪深孔的情况下，可看到左岸和右岸的机组的泥沙含量分别有相应的峰值，其中左岸较右岸泥沙含量高。深孔的开启可以改变坝前流场和泥沙分布情况。