蘇曉玉,潘亞煒,蘇保印,潘 琨,王米米,李松平
(1.河南省科達(dá)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003;2.河南省南陽市方城縣柳河鎮(zhèn)人民政府,河南 南陽 473200;3.山東中澤工程集團(tuán)有限公司,山東 菏澤 274008;4.河南省水利勘測(cè)有限公司,河南 鄭州 450003;5.河南省水利科技應(yīng)用中心,河南 鄭州 450003)
前坪水庫位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游,水庫控制流域面積1 325 km2,總庫容5.90億m3,為Ⅱ等大(2)型工程。溢洪道布置在左岸,軸線總長(zhǎng)415 m,其中引水渠長(zhǎng)度252 m,閘室段長(zhǎng)度35 m,泄槽段長(zhǎng)度116 m。堰頂高程403 m,共5孔,每孔凈寬15 m,閘室寬度87 m、長(zhǎng)度35 m,下接泄槽段和消能段,消能方式采用挑流消能。文章數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)均利用3種特征工況洪水進(jìn)行研究分析,如表1所示,主要研究溢洪道的泄流能力、水流流態(tài)、壓力分布、消能沖蝕等復(fù)雜的水力學(xué)問題。
二維水動(dòng)力計(jì)算模型基本原理如下。
連續(xù)方程:
動(dòng)量方程:
上式中:q為單位面積的源匯強(qiáng)度;H為水深;Z為水位;u和v分別為垂向平均流速在x與y方向的分量;n為糙率;g為重力加速度;vT為水流湍動(dòng)擴(kuò)散系數(shù);f0=2ω0sinψ為科氏力系數(shù),ω0地球自轉(zhuǎn)角速度,ψ為計(jì)算區(qū)域的地理緯度;ρ為水流密度;u0、v0分別為水深平均源匯速度在x、y 方向的分量;τsx和τsy分別表示x、y 方向的水面風(fēng)應(yīng)力。計(jì)算過程中根據(jù)實(shí)際情況可以對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化忽略風(fēng)應(yīng)力、地球科氏力的影響。
采用前坪水庫1:1 000比例尺CAD地形圖和溢洪道設(shè)計(jì)圖形作為地形資料進(jìn)行模型構(gòu)建。建模面積10.46 萬m2。網(wǎng)格剖分采用混合網(wǎng)格剖分法,溢洪道0-046斷面上游區(qū)域采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格,網(wǎng)格面積控制在3 m2以內(nèi),0-046至0+000 斷面區(qū)域采用不規(guī)則四邊形網(wǎng)格,網(wǎng)格邊長(zhǎng)控制在1 m以內(nèi),閘墩區(qū)域采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格,網(wǎng)格面積控制在1 m2以內(nèi),閘墩以下區(qū)域采用不規(guī)則四邊形網(wǎng)格,網(wǎng)格邊長(zhǎng)控制在1 m 以內(nèi),剖分后網(wǎng)格數(shù)67 819個(gè),網(wǎng)格平均面積1.54 m2。
首先通過arcgis 及MIKE 21 創(chuàng)建地形文件.mesh;然后在MIKE ZERO 中創(chuàng)建適用于非規(guī)則網(wǎng)格的.m21fm 文件;再確定邊界條件,文章計(jì)算上邊界為從溢洪道頂403 m至壩頂424 m,下邊界通過溢洪道設(shè)計(jì)資料切取了模型下邊界位置的橫斷面數(shù)據(jù),網(wǎng)格干水深設(shè)為0.50 cm,淹沒水深為設(shè)為5 cm,濕水深設(shè)為10 cm;然后設(shè)置基本參數(shù)和水動(dòng)力參數(shù),模擬時(shí)間設(shè)為1 d,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為10 s,初始水深設(shè)為0,溢洪道混凝土糙率采用0.018,上游庫區(qū)天然地形糙率采用0.025;最后輸出模型計(jì)算結(jié)果包括洪水演進(jìn)過程、洪水統(tǒng)計(jì)信息、流量過程。
前坪水庫溢洪道特征水位下設(shè)計(jì)、Mike數(shù)值模擬與模型比尺1∶50 水工模型試驗(yàn)流量結(jié)果對(duì)比如表2 所示。在施放工況Ⅰ洪水時(shí),數(shù)值模擬泄量為8 258 m3/s,水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)泄量為7 789 m3/s,差值為469 m3/s;在施放工況Ⅱ洪水時(shí),數(shù)值模擬泄量為9 268 m3/s,水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)泄量為8 800 m3/s,差值為468 m3/s;在施放工況Ⅲ洪水時(shí),數(shù)值模擬泄量為13 079 m3/s,水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)泄量為12 867 m3/s,差值為212 m3/s。從對(duì)比結(jié)果來看,在同等工況下,數(shù)值模擬流量比水工模型試驗(yàn)結(jié)果偏大,但均滿足溢洪道的泄流能力要求。
表2 溢洪道特征水位下水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬流量結(jié)果對(duì)比表
前坪水庫溢洪道特征水位下Mike數(shù)值模擬與水工模型試驗(yàn)流速結(jié)果對(duì)比如表3所示。
表3 溢洪道特征水位下數(shù)值模擬結(jié)果與水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)流速對(duì)比表
在施放工況Ⅰ洪水時(shí),Mike數(shù)值模擬平均流速范圍6.20~29.20 m/s,水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)平均流速范圍3.98~22.54 m/s;在施放工況Ⅱ洪水時(shí),Mike 數(shù)值模擬平均流速范圍6.52~28.54 m/s,水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)平均流速范圍4.52~26.57 m/s;在施放工況Ⅲ洪水時(shí),Mike 數(shù)值模擬平均流速范圍7.54~29.57 m/s,水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)平均流速范圍5.78~27.00 m/s。從對(duì)比結(jié)果來看,在同等工況下,流速數(shù)值模擬結(jié)果比水工模型試驗(yàn)結(jié)果偏大。
在3 種工況洪水下的Mike 數(shù)值模擬與水工模型試驗(yàn)沿程水面線對(duì)比結(jié)果如圖1、圖2所示,同一工況下,Mike數(shù)值模擬溢洪道沿程水面線與水工模型試驗(yàn)結(jié)果偏低。由于數(shù)值模擬的流量和流速都比水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果大和數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置不同引起的變化,使Mike 數(shù)值模擬沿程水面線比水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果偏低。
圖1 數(shù)值模擬計(jì)算水位圖
圖2 物理模型實(shí)測(cè)水位圖
文章以前坪水庫溢洪道為例,基于MIKE21軟件對(duì)前坪水庫溢洪道的泄流能力、斷面流速和沿程水面線等水力性能進(jìn)行了模擬,其結(jié)果與水工模型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,結(jié)果證明:MIKE21軟件后處理分析功能中,在流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演示及動(dòng)畫制作方面效果往往較好,在溢洪道過流能力數(shù)值模擬與水工模型實(shí)測(cè)值驗(yàn)證過程方面稍有偏差,但基本吻合,均滿足設(shè)計(jì)要求,該研究成果為下一步水工模型試驗(yàn)中數(shù)學(xué)模型的選取提供參考。