淺層水庫幾何形狀對泄流口水力特性與水沙特征影響研究

李慧超

(韶關(guān)市曲江區(qū)水利工程建設(shè)與防御服務(wù)中心，廣東 韶關(guān) 512000)

1 工程概況

由于粵北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，特別是脫貧攻堅(jiān)剛剛走完第一程，有效鞏固脫貧攻堅(jiān)成果乃是地區(qū)發(fā)展的重要保障。從水利安全性角度考慮，在粵北清遠(yuǎn)北江流域新建一淺層水庫，可有效緩解地區(qū)用水緊張問題。設(shè)計(jì)水庫總庫容為2200萬m3，設(shè)計(jì)輸水灌渠長度為45 km，建設(shè)供水中樞調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)3～4座，進(jìn)、出水口最大設(shè)計(jì)流量為50 m3/s，且按照沖淤排沙要求，在各過流口均設(shè)置有排沙閘或攔污柵等水工設(shè)施，其中距離輸水灌渠首最近調(diào)壓塔設(shè)計(jì)有攔污柵，作為凈化水質(zhì)第一道防線，攔污柵剖面為網(wǎng)格狀，采用水工幕墻式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，柵墩厚度為1.2 m，可承受動水壓力與拉應(yīng)力耦合作用，設(shè)計(jì)墩身上最大壓強(qiáng)可達(dá)1.2 MPa。另在北江擬建水庫距離清遠(yuǎn)市區(qū)為95 km，樞紐工程包括防洪大壩、泄洪閘、溢洪道及引水工程等，其中主壩體最高為35.2 m，采用混凝土重力式大壩與土石壩組合形式，壩頂寬度為3 m，采用防滲面板與止水薄膜防滲系統(tǒng)，確保全壩體最大滲透坡降不超過0.25，但由于本工程中水庫幾何形狀還未確定，故上游水頭壓力及庫邊緣對壩體滲透沖擊等均存在不確定性。

溢洪道采用弧形階梯式溢流面，由于溢洪道的設(shè)計(jì)與水庫下游聯(lián)系性更強(qiáng)，因而水庫剖面幾何形態(tài)對溢洪道體型設(shè)計(jì)并無顯著影響，該溢洪道共有22級階梯式溢流面，溢流面中部采用多坎高式設(shè)計(jì)，有效減弱水力沖擊作用對下游水工結(jié)構(gòu)沖蝕效應(yīng)。引水工程目前已隨輸水灌渠的前期建設(shè)逐步投入運(yùn)營，但其引水效率最大化仍與水庫幾何剖面中勢能最高處有關(guān)。泄流口包括有泄洪閘與支臂式弧形閘門，其中閘口凈寬為3.5 m，采用多孔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閘門面板厚度為0.4 m，設(shè)計(jì)最大開度為寬度的95%，最大泄流量可達(dá)158 m3/s，整個水庫流域內(nèi)共有4個泄流口，此為北江擬建水庫最大泄流口，位于水庫東北角，該泄流口也由于水庫幾何形狀等原因，其攔沙結(jié)構(gòu)與滲流通道體型設(shè)計(jì)均處于待優(yōu)化狀態(tài)，圖1即為典型模型試驗(yàn)研究的水庫泄流口設(shè)計(jì)[1]。針對性研究泄流口處水力特征與水沙演變對推動安全泄洪、有效泄洪具有重要意義。

圖1 水庫泄流口模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖

2 仿真分析

根據(jù)對北江擬建水庫工程場地踏勘分析，并結(jié)合已有文獻(xiàn)研究成果可知[2]，水庫地形剖面類型主要有三種，如圖2所示。此三種剖面形狀與水庫地形、中軸線夾角等密切相關(guān)，本文主要以凸形水庫、直形水庫、凹形水庫作為分析對象，研究三種剖面形狀水庫下泄流口處水力特性與含沙特征。

圖2 水庫地形剖面類型

根據(jù)三種不同幾何剖面形狀，分別在各方案水庫的最佳泄流口處展開分析，泄流口分別位于OZ軸正方向最大處，所有幾何剖面方案水庫中均以常規(guī)底緣前后傾45°閘門作為擋水結(jié)構(gòu)，支臂式閘門體型如圖3所示。

圖3 支臂式閘門體型

利用ANSYS建立泄流口模型概化圖，如圖4所示，研究范圍涉及泄流口過流閘門上、下游長度2.5 m，另在過流上游按照水質(zhì)凈化要求，設(shè)置有攔污柵結(jié)構(gòu)，下游消能擋墻結(jié)構(gòu)位于軸線距離5 m 遠(yuǎn)處。本文采用Fluent滲流計(jì)算平臺進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共獲得微單元體336 826個，節(jié)點(diǎn)數(shù)26 852個，閘門按照一級防滲設(shè)計(jì)。上游攔污柵結(jié)構(gòu)與過流閘門均按照水平向自由度邊界條件設(shè)置，僅法向方向具有調(diào)整，泄流口兩側(cè)邊緣均視為約束零變形條件。由三種幾何剖面形狀水庫的泄流分析可知，在各自幾何剖面上所能發(fā)生的最大泄流分別為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值(158 m3/s)的60%、75%、90%，故三種方案在計(jì)算過程中所能承擔(dān)的最大泄流量分別為94 m3/s、118 m3/s、142 m3/s。本文為方便單一變量因素分析，所有水庫泄流量方案均設(shè)定為70 m3/s、100 m3/s、130 m3/s，過流閘門開度均按照泄流口正常運(yùn)營下最大開度設(shè)定。來水流量中初始含沙量按照北江平均值4 kg/m3設(shè)定，基于上述三種幾何剖面開展水力特性與水沙特征對比分析。

圖4 閘門整體模型概化

3 水庫幾何形狀與水力特性關(guān)系

3.1 水位變化特征

根據(jù)對三種幾何形狀水庫泄流口水力特征參數(shù)計(jì)算，獲得不同流量工況下泄流口處上、下游各斷面水位變化特征，如圖5所示。

從圖中可知，三種流量工況下泄流口處水位均在過閘區(qū)段處發(fā)生較大波幅，特別是隨上游流量增大，過閘水位降幅愈顯著；以A類凸形水庫為例，當(dāng)上游流量為70 m3/s時，在過閘口處水位最大降幅為18%，而流量為100 m3/s、130 m3/s時，相應(yīng)的降幅分別可達(dá)27.5%、32.9%。此種現(xiàn)象在B、C類剖面形狀水庫中依然如此，但對比之下C類凹形水庫水位在過閘處降幅最大，在上游流量70 m3/s、130 m3/s時分別可達(dá)86.7%、92.1%。分析表明，當(dāng)上游流量愈大，不同幾何剖面形狀水庫泄流口過閘水位降幅愈大，但C類凹形剖面水庫在較大“進(jìn)水口”基礎(chǔ)上，降幅最顯著。對比泄流口上游段水位特性可知，在相同流量下，以C類凹形水庫水位最大，流量100 m3/s工況中，在上游距離閘門80 m處C類凸形水庫泄流口水位為45.3 m，而A、B類水庫水位較前者分別減少了56.7%、36.7%；從上游水位整體來看，在流量100 m3/s下A、B類剖面水庫水位較C類整體上分別具有差幅53.7%～58.5%、33.3%～36.9%；而C類剖面水庫的上游斷面在流量70～130 m3/s下平均水位特征值分別為22.86 m、31.91 m、45.43 m，流量100 m3/s 下A、B類水庫平均水位特征值較之分別減少了32.5%、56.3%。由此表明，C類凹形水庫泄流口阻流、摩擦效應(yīng)較弱，對水流進(jìn)入泄流口限制較弱，有助于提升泄流口工作效率[3]。從過閘后下游水位變化可知，三種不同幾何剖面形狀水庫泄流口水位特征與上游趨勢有所扭轉(zhuǎn)，A、B類凸形水庫在下游斷面上具有更高的水位，流量70 m3/s下該兩類水庫在該區(qū)間斷面上平均水位特征值分別可達(dá)8.48 m、5.6 m，而C類型水庫較前者分別減少了66.6%、49.5%，此種差異隨來水流量增大后，差異有所減小。筆者認(rèn)為，A、B類水庫設(shè)計(jì)最大泄流量分別為94 m3/s、118 m3/s，而當(dāng)來水流量接近設(shè)計(jì)最大值后，泄流口處下游水流受到大量的促進(jìn)、激發(fā)，進(jìn)而表現(xiàn)水位較大。另一方面，下游水位增大的同時，也導(dǎo)致了下游水位起伏較大，流量100 m3/s中A類、B類水庫在下游斷面上最大波幅分別超過26.5%、8.5%，此也與泄流量接近設(shè)計(jì)最大值有關(guān)。綜合分析討論認(rèn)為，A、B類幾何剖面水庫泄流口上游進(jìn)水口能力弱于C類，過閘控制能力以C類水庫更顯著，而下游水位穩(wěn)定程度同樣以C類剖面水庫為佳。

圖5 各斷面上水位變化特征

3.2 閘門壓強(qiáng)特征

為分析不同幾何剖面形狀水庫泄流口過閘斷面水流壓強(qiáng)變化特征，在閘門面板上分別設(shè)定有8個測點(diǎn)，如圖6所示，基于面板上不同測點(diǎn)處壓強(qiáng)特征，獲得水庫幾何剖面形狀對泄流口閘門面板壓強(qiáng)影響變化，如圖7所示。

圖6 計(jì)算測點(diǎn)示意圖

圖7 閘門上壓強(qiáng)變化特征

從壓強(qiáng)變化特征可知，在低流量70 m3/s下A、B類型水庫壓強(qiáng)分別在第5#測點(diǎn)處發(fā)生顯著下降態(tài)勢，而高流量130 m3/s下A、B類型水庫在第4#測點(diǎn)即發(fā)生顯著下降，相比低流量下測點(diǎn)有所提前。對比三種幾何形狀水庫的泄流口閘門面板壓強(qiáng)特征可知，愈靠近面板頂部，則壓強(qiáng)愈低，流量70 m3/s下A類型水庫在1#、2#測點(diǎn)處壓強(qiáng)分別為27.98 kPa、25.80 kPa，而8#測點(diǎn)處壓強(qiáng)較前者分別減小了82.6%、81.1%，在A類型水庫泄流閘門面板上壓強(qiáng)隨測點(diǎn)平均降幅為21.1%，而B、C類水庫的平均降幅分別為32.7%、46.2%。筆者認(rèn)為，當(dāng)水庫幾何剖面設(shè)計(jì)形狀更利于泄流口通流時，閘門面板上壓強(qiáng)較小，且更具整體性，面板承受抗壓效果更佳，此也印證了C型水庫更有利于控制過閘流量。從壓強(qiáng)分布可知，在相同流量70 m3/s下，C類型水庫壓強(qiáng)分布為0.036～14.870 kPa，而A、B類水庫泄流口壓強(qiáng)較前者分別具有增幅88.1%～13.2倍、53.1%～2.5倍；與之同時，流量增大后，各類型水庫泄流口壓強(qiáng)減小，A類型水庫在流量130 m3/s下減少了26.1%～37.1%，而B、C類型水庫相比分別減少了13.7%～36.1%、9.1%～27.5%，且高流量下C類型水庫中具有長距離的零壓強(qiáng)分布，即C類型水庫泄流口面板在高流量下開度與設(shè)計(jì)值契合于上游流量。

4 水庫幾何形狀與水沙特征關(guān)系

水沙特征是泄流口沖淤排沙的重要體現(xiàn)，而水庫幾何剖面形狀對此具有重要影響，本文根據(jù)三種幾何剖面形狀水庫泄流口設(shè)計(jì)，設(shè)定流量100 m3/s，獲得不同運(yùn)營累計(jì)年限下泄流口全斷面上含沙量變化特征，如圖8所示。

從圖中可知，相同流量下運(yùn)營累計(jì)年限愈大，則含沙量愈大，A類型水庫在運(yùn)營累計(jì)100d時全斷面上含沙量分布為0.63～1.74 kg/m3，而運(yùn)營年限200d、400d下泄流口斷面含沙量較之分別增大了8.5%～27.2%、59.3%～79.8%；從含沙量平均特征值可知，A類型水庫在運(yùn)營100d時含沙量平均值為1.07 kg/m3，而運(yùn)營年限每增大100d，則含沙量平均參數(shù)值可增長22.4%，而B、C形狀水庫泄流口斷面含沙量平均值的增幅分別為28.3%、17.5%，表明C類型水庫含沙量受運(yùn)營年限影響較小，有助于提升工程設(shè)計(jì)壽命與運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)[4]。對比三種類型水庫泄流口的含沙量可知，不論運(yùn)營年限高或低，均以C類凹形水庫的泄流口斷面含沙量水平最低，在運(yùn)營年限第200d時A類型水庫泄流口含沙量分布為0.80～1.96 kg/m3，斷面平均值為1.23 kg/m3，而C類水庫中斷面含沙量較A類減少了58.5%，當(dāng)運(yùn)營年限增大至300 d、400 d、500 d后，C類型水庫泄流口斷面平均含沙量相比A、B類型水庫的差幅越來越大，即運(yùn)營年限愈長，更能體現(xiàn)C類凹形水庫排沙的效果。從泄流口斷面上含沙量變化特征可知，同一種幾何剖面水庫泄流口在不同運(yùn)營年限下含沙量變化特征基本一致，如A類型水庫泄流口在斷面0～1.05 m上緩增，當(dāng)斷面超過1.05 m，進(jìn)入下游后，含沙量陡增態(tài)勢顯著；B類水庫泄流口斷面含沙量變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于距離1.05 m處；這兩種類型水庫都由于幾何剖面限制泄流原因，導(dǎo)致排沙效果欠佳，因而在斷面上含沙量呈現(xiàn)階梯式分段態(tài)勢，C類型水庫全斷面上含沙量變化較穩(wěn)定，無階梯分段效應(yīng)。綜合認(rèn)為，A、B類型水庫泄流口斷面含沙量不僅受運(yùn)營年限影響較大，且具有階梯層次效應(yīng)，C類型水庫沖沙效果及含沙量分布更為理想。

圖8 泄流口軸線斷面距離上含沙量特征

5 結(jié) 論

(1)流量增大，各類型水庫泄流口過閘水位降幅愈顯著，C類水庫降幅最大；泄流口上游段C類水庫水位最大，A、B類水庫平均水位特征值較之分別減少56.7%、36.7%；泄流口下游水位以A、B類最大，但水位起伏最顯著，最大波幅分別超過26.5%、8.5%。

(2)愈靠近面板頂部，壓強(qiáng)愈低，三種形狀水庫泄流口閘門面板壓強(qiáng)隨測點(diǎn)平均降幅分別為21.1%、32.7%、46.2%；C型水庫泄流口更利于控制過閘流量，流量70 m3/s下A、B類水庫面板壓強(qiáng)比C類增大88.1%～13.2倍、53.1%～2.5倍；流量增大，閘門面板壓強(qiáng)減小，C型水庫在流量130 m3/s下具有零壓強(qiáng)分布。

(3)同一種水庫泄流口含沙量隨運(yùn)營年限變化基本一致，且均為增大態(tài)勢，三種類型水庫含沙量平均值100 d平均增長分別為22.4%、28.3%、17.5%，A、B類水庫具有階梯變化效應(yīng)，C類水庫全斷面變化穩(wěn)定；C類水庫含沙量水平最低，且隨運(yùn)營年限與A、B類水庫的差距增大。