基于水力特性的二塘沟流域分流排洪体型优化研究

贾文亮

(吐鲁番市二塘沟水库运行调度中心,新疆 吐鲁番 838000)

0 引 言

以降雨和融雪补给为主的二塘沟河为山溪性河流,其局部大降水引发洪水的概率超过90%。二塘沟流域坐落于吐鲁番盆地东北部,西部与吐鲁番市毗邻,北部以天山为界,毗邻奇台县,地处N42°38’-N43°29’,E89°15’-E90°02’,东西最大宽度60km。该流域源头为天山南坡,其集水面积532km2[1-2]。据不完全统计,鄯善县二塘沟河流域洪灾频发,暴雨洪水破坏力极强,该流域在1984、1996、2005-2007年分别发生了洪水袭击,对当地生态环境、经济损失以及人身安全造成较大的损害[3]。

导流泄洪洞作为水工结构中常用的泄水建筑物,其体型设计常会受到地质地形、工程结构等因素的影响,其设计形式与泄流流态、水力特性等密切相关[4]。加强对导流泄洪洞建设的安全性评估和改进,能有效保障水利工程安全,发挥其分流泄洪的能力。因此,本文基于水力特性对二塘沟流域进行分析,借助模型数值分析对其进行体型优化和建设研究,以期提高该流域水库的防洪能力和工程安全。

1 水力特性分析下的二塘沟分流排洪体型设计

1.1 二塘沟流域概况及原设计方案分析

二塘沟河属于塔里木内陆区的艾丁湖水系,起源于天山博格达山南麓,该河流呈西北-东南走向,流域河道出口以上流域面积532km2,主要的典型地貌类型包括侵蚀/剥蚀山区和山前冲洪积砾质倾斜平原。二塘沟流域河源高程3 800m以上,其主支有多个小支流汇入,且左岸水系发达于右岸[5]。二塘沟流域的气象情况经由鄯善县气象站观察得到,其多年平均气温7℃～9℃,年平均降水量为131.8mm,多年平均蒸发量为1 966.8mm,多盛行西北风。同时,该流域高山区气候较为温暖凉爽,降雨量充沛,河流自出山口流出后,途经火焰山、鲁克沁等乡镇,最终汇入艾丁湖。二塘沟水库的上下坝址均在二塘沟水文站的1km范围内,上坝位置和下坝位置位于水文站的基础剖面和站点以下900m处,且该工程区地处博格达山南缘中山区,以北高南低的山地地形为主[6]。见图1。

图1 二塘沟流域水系及相关站点网分布情况示意图

二塘沟水库坝址库区位于中山区峡谷中,最高和最低海拔高度分别为2 000和1 550m,相对高差在100～550m范围内,库区岸边的基岩山体较为坚固,整体呈现U形地形。水库的河道两侧因纵坡面位置以及水流侵蚀作用的差异而形成因河流下切的四级阶地,其中一、二级阶地因活动作用强烈而发育程度较好,且阶面与阶地相比稍跨宽,而三、四级阶地则分布较为零散。水库左岸的基岩岩性以凝灰岩、英安岩为主,岩石的风化作用明显且岩体较为破碎;右岸的地形斜率在40～50度之间,部分地区的倾斜角度甚至近似于90度,且多为存在裂缝情况的裸露性凝灰岩[7-8]。

二塘沟水库是一座由沥青心墙坝、导流泄洪洞、溢洪道和排灌洞等排水设施构成的中型水库,其中导流泄洪洞主要承担流域水库的分流泄洪能力。导流泄洪洞设计的合理性程度会对整个水利工程造成较大的影响,因此本文主要对导流泄洪洞进行分析。原方案下导流泄洪洞在全开状态下的泄流能力差值变化较大,当库水位大于1 433.0m时,导流泄洪洞的导流表现为压力流,导流泄洪洞入口处出现间歇性漩涡,其漩涡贯通时间较短,且在较高库水位时偶有出现[9]。同时,原方案中受工作闸室段扩散的影响,存在水面跌落情况,且消力池在水位不断升高下出现远驱水跃,其深度和高度建设不足。但其汛期水力参数分析和蓄水期下的泄流能力符合规范标准,因此加强对消力池的建设是后续需要改进的方面。

1.2 导流泄洪洞水利模型构建及数值模拟分析

二塘沟水库的导流泄洪洞主要位于该流域的左岸岩体内,与下泄灌溉洞的洞轴相隔20 m。该泄洪洞在水库汛期运行期间,发挥着洪水分流、放水等功能;在水坝建设期间,主要发挥导流功能。由于水库的地势所限,泄洪洞洞身段采用角度为46.66°、半径30 m的弯曲形式,水库施工期间最大导流量172m3/s;蓄水期的设计洪水流量和校核洪水流量分别为349.82和356.63m3/s。见图2。

图2 导流泄洪洞纵断面示意图及结构分布

本研究从库水位-流量关系曲线、泄洪洞纵断面体型设计、各部分指标的初始空化数以及出口消力池的流态消能效果,构建二塘沟水库导流泄洪洞水力特性模型,设计模型比例尺1:30。在进行模型截取时,为保证其在横向维度上满足最高水位等高线和安全超高,纵向维度上不改变流态变化,故设计实验范围为上下游至坝轴线对应部分的180和700m处,并设计模型边界高程大于最高库水位和最高尾水位4m。

在数值模拟分析过程中,着重对明渠段、扩散段、消力池段进行模型分析,并借助流体力学理论设计数学模型。流体力学理论能对不同初始条件下的流动状态以及对应的流体特性进行分析,其中流体流速增大会导致更多漩涡的出现,且此时的流线变化情况复杂,其不规则运动表现为湍流[10]。研究借助雷诺时均法-双方程模型计算湍流,公式如下:

(1)

式中:ε为湍动耗散率;k为湍流动能;ρ为平均容积密度;μ、μt为分子与紊动黏滞系数;δk、δe分别为湍流普朗特数;C1ε、C2ε为方程常数;t为时间;G为动能;x为流场中的点。

同时,以自由表面追踪流体体积(Volume of Fluid,VOF)模型计算流体交界面指标,公式如下[11]:

(2)

式中:f为体积比函数。

研究在泄洪洞全开时上游设计洪水位、泄洪流量及其对应的校核数值分别为1 475.06m、386.6m3/s、1 476.83m、393.5m3/s工况条件下进行,并进行网格划分以及边界条件的限定,以保证数值的计算效率和精度。见图3。

图3 数值模拟示意图

对计算区域进行网格分割时,需要对每一条边界及其类型进行定义,其中恒定流量下的泄流进口边界包括上下两部分,即压强进口和速度入口。研究借助Gambit软件进行划分,以壁函数法对引水泄洪洞出口段无滑移现象下的黏性底层进行计算,速度入口边界条件的参数则表示如下[12]:

(3)

式中:l为进口混合长度;Cμ为经验常数;V为泄洪洞体积。

在导流汛期和蓄水期,导流泄洪洞存在流态较差和负压情况,且空化水流较容易存在泄洪安全隐患,因此研究将实测水面线进行加高。对导流泄洪洞进行修改,见图4。

图4 导流泄洪洞修改方案示意图

该方案将引洪洞消力池的底面降至1 395.00m,池的深度相应增加1.2m,并在陡坡之上进行抛物线形转换,将基桩0+317.054～0+348.074与后面的斜沟进行相连,此时的坡度比为0.3670。

2 基于水力特性的二塘沟流域分流排洪应用结果分析

研究提出的改进方案在原方案的基础上保留了左岸导流排洪洞在工作闸门流场分析。当水流经由洞身-明渠段时,其工作闸室扩散会导致水面出现下降,而后水流在明渠断面上以折流的方式向前流动,并在流经抛物线后表现出流速增加且水流均匀。上游库水位的增加会使导流泄洪洞的第五部分发生“水跃”情况,且该池中排出的水又会通过下降形式流入联合退水渠,并在扩散后撞击到退水渠的左侧墙,削弱折冲水流现象,退水渠段的流态得到较大的改善。在库水位分别为1 434.87和1 443.04m、流量为172.27和 230.69m3/s时,水面跌落约1.63和1.79m。对改进导流泄洪洞在汛期的水力参数进行分析,结果见表1。

表1 改进方案在汛期情况下的水力参数分析

由表1可知,在上游库水位分别为1 434.87和1 443.04m、流量分别为172.27和230.69m3/s时,抛物线段的实测最大水深分别为3.22、3.33m,扩散段的实测最大水深分别为2.06、2.82m,消力池的实测最大水深分别为13.05、14.86m,消力坎顶端退水渠的实测最大水深分别为3.64、4.47m,联合退水渠部分的实测最大水深分别为2.85、3.31m。消力池的边墙高度18.0m,消力坎顶端退水渠的边墙高度10.0m,联合退水渠的边墙高度7.0m,水深高度均在符合范围内,表明该方案下的消力池内均能够产生淹没水跃,且对应边墙高度满足泄流要求。同时,对校核洪水位1 476.83m和设计洪水位1 475.06m下的方案蓄水期水力参数进行分析发现,上述泄洪洞的各部分能够有效满足泄洪标准和要求。

然后,对二塘沟水库导流泄洪洞优化方案中的第三、第五和第六部分进行设计和校核洪水位两种工况下的数据模拟与分析,以便更好地对改进水库正常运行情况进行分析。借助Fluent 软件,对工况条件下的水流态势及水面线进行计算,结果见图5。

图5 设计及校核洪水位水流态势及水面线计算情况

由图5可知,两种工况下的数值模拟结果与物理模型实验中得到的结果基本一致,表明数值模拟的边界条件是比较合理的。其中,校核水位估计情况与设计水位存在5.6%的偏差,其原因可能是在实验过程中测量精度受到平视下的仪器偏差影响以及部分单独测点的影响,但整体情况较为符合。

对高程情况进行分析,判断在断面不同部分的受力情况,结果见图6。

图6 设计及校准洪水位下高程结果对比

由图6可知,在底板高程情况下,设计洪水位的模拟高程与实验高程之间的走向大体一致,其仅在桩距为410～470m之间存在小于2%的偏差情况。校准洪水位下的模拟高程与实验高程在桩距小于390m的走向基本一致,其仅在桩距为396～470m之间存在1.53%的偏差情况。整体情况表明,研究提出的改进方案能够有效满足水库的高程要求。

对压强情况进行分析,结果见图7。

图7 设计及校核洪水位下压力及断面流速

底板压力是评价引水泄洪洞的一个主要参数,底板压强变化与设计荷载具有重要关系,当计算值较小或为负的情况下,则需要优化体型设计,以减小混凝土表面的空蚀影响。

由图7可知,两种工况条件下的模拟实验压强值与实际值之间的整体误差较小,其压强变化呈现出先增大在进入退水渠后变小,压强情况与库水位整体情况相似,并未出现负压情况。泄洪洞出口沿程4个桩段的断面表面流速的测试值与计算值差值变动较小,误差小于1%,有效反映出断面沿程流速变化情况。

3 结 论

本文基于二塘沟流域水库现状,对其承担泄水作用的导流泄洪洞进行仿真研究。结果显示,在上游库水位为1 434.87和1 443.04m、流速为172.27和230.69m3/s时,抛物线段、扩散段、消力池、消力坎顶端退水渠以及联合退水渠的实测最大水深分别为3.22和3.33m、2.06和2.82m、13.05和14.86m、3.64和4.47m、2.85和3.31m,均在边墙高度范围内。模拟高程与实验高程在设计洪水位下(桩距410～470m)存在小于2%的偏差,在校核洪水位下(桩距396～470m)存在1.53%的偏差。研究表明,二塘沟水库导流泄洪洞改进方案满足建设要求。