邕宁水利枢纽一期临时土石围堰数值模拟研究

2020-01-08赵彦准农好瑾贺昌海

水利与建筑工程学报 2019年6期

赵彦准，江维，农好瑾，贺昌海

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072；2.广西南宁水利电力设计院，广西南宁 530001)

在水利水电工程建设中，施工导截流工程是贯穿施工全过程的临时性工程。施工导截流数值模拟早期借鉴了河道数值模拟的研究成果，经过20多年的发展，二维数值模拟逐渐成熟，并应用于三峡、向家坝等实际工程[1-7]。近10年以来，随着紊流模型理论的完善和大型商业计算等软件的发展，利用三维数值模拟方法分析水流的方法广泛使用[8-11]，施工导截流等实际工程也不例外。例如，李扬等[12]用三维数值模拟方法，计算了施工导流期间河道水流流场，为围堰布置提供了解决方案。张亮等[13]基于三维数学模型，模拟了施工期导流洞涌水量，为施工及防渗排水的方案制定提供参考。贺昌海等[14]利用三维数值模拟和物理模型试验对白鹤滩水电站分流挡渣堤体型进行了优化。刘文等[15]考虑导流泄水建筑物的掺气特性，对某实际工程导流整体流场进行了三维数值模拟，并与物理模型试验成果进行了对比分析，得到了较合理的结果。本文以邕宁水利枢纽工程为研究对象，在物理模型的基础上，利用三维数值模拟方法对其一期临时土石围堰的合龙位置、施工期通航等问题进行深入研究，具有重要的工程实际意义。

1 工程概况

邕宁水利枢纽工程位于南宁市邕江河段下游，青秀区仙葫开发区牛湾半岛处，隶属邕江干流。工程主要任务是改善城市环境、水景观和航运，兼顾发电及其它。工程正常蓄水位67 m，总库容7.1亿m3，属大型水库，电站装机容量57.6 MW(6×9.6 MW)，多年平均发电量2.206×108kW·h。

枢纽位于西津水电站库区内，枯水季节水位降落不明显，枯水期河床水位较深，一般水深达12 m～15 m，水面宽230 m～280 m。工程施工采用两段叁期的导流方式，其中一期临时土石围堰由上下游横堰、纵堰和裹头组成(见图1、图2)，挡水时段11月15日—次年4月15日，设计挡水流量为枯水期10年一遇3 010 m3/s。临时围堰全长981.90 m，上游围堰、纵向围堰和下游围堰的堰顶高程分别为66.40 m、66.40 m～66.20 m和66.20 m。堰顶宽7.0 m，预设2.2 m马道。最大底宽79.2 m，迎、背水面边坡均为1∶2。迎水面堰面抛石护坡，堰脚采用1 m厚钢筋石笼护面，背水面堰面不做防护[12-15]。

邕江为常年通航河流，航道等级为Ⅱ级，枢纽船闸最大通航船舶吨位为2 000 t级船舶(队)。施工期必须考虑通航问题，航运部门要求施工期临时围堰按Ⅲ级航道标准开通。

图1 一期临时土石围堰布置方案

图2 一期临时土石围堰横断面图

2 三维建模

利用CATIA建立了1∶1的河道三维模型(见图3)，在此基础上分别建立了一期临时围堰靠上游合龙、中间合龙、靠下游合龙以及全合龙四种几何模型。

图3 河道三维模型

3 数值模拟

3.1 紊流控制方程

本工程河道蜿蜒曲折，两岸阶地发育，地形略有起伏，故采用RNGκ-ε模型。模型控制方程如下：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

紊动能κ方程：

(3)

紊动能耗散率方程：

(4)

3.2 方程求解

控制方程的离散采用交错矩形网格的有限差分法，水流自由表面追踪采用TruVOF方法，压力速度分离式解法采用极小残差算法GMRES算法。

计算范围：上游0+1250 m至下游0-575 m。

计算网格：采用纵横比1的均匀立方体结构化网格(笛卡尔网格)，总体包含3个网格块(见图4)，立方体网格单元边长设为2 m，网格总数量约2 000万个。

图4 计算区域网格剖分

边界条件：网格块A的xmin边界设置为流量边界，结合上游水面高程和流量确定流速。网格块C的ymin边界设置为压力边界，并确定下游水面高程。A、B、C网格块的zmin边界均设置为无滑移壁面边界，zmax为自由液面，设置为压力边界，压强取0。其它边界均保留对称边界的默认设置。

计算工况参见表1。

数值模拟结果处理：采用FLOW3D自带的后处理模块实现。

表1 数值模拟工况

4 计算结果分析

4.1 计算结果验证

物理模型为长度比尺1∶70的正态模型。模型制作范围：上游坝轴线以上约1 000 m，下游坝轴线以下约1 000 m，总长约2 000 m。模型范围内能保证水流与上、下游平稳衔接。模型河床地形按1∶1 000地形图进行制作，模型上间隔0.5 m取一个控制断面，局部地形变化较大处另加密控制。

针对工况1和工况4进行了模型试验，试验结果与计算结果对比如下。

(1) 束窄河床流态。工况1、工况4的模型试验流态照片和数值模拟流态云图如图5、图6所示。对比二者可知，束窄河床整体水流流态平顺，无旋涡及回流现象，试验流态和计算流态吻合良好。

(2) 束窄河床水面线。工况1和工况4束窄河床平均水面线参见图7。桩号0+320、0+100、0+0.00、0-100、0-320表示临时围堰附近测点。

工况1中，数值模拟的误差平均值为-0.11 m，误差最大值为-0.15 m，均在合理范围。围堰上下游水位差很小，水面无明显跌落。

工况4中，数值模拟的误差平均值为-0.19 m，误差最大值为-0.26 m，均在合理范围。合龙之后，上下游水位差较小，水面无明显跌落。

数值模拟结果略小于物理模型试验，水面线趋势吻合较好。

(3) 束窄河床流速分布。工况1和工况4束窄河床流速分布如图8所示。其中，测点12-1、12-2、12-3、11-1、11-2、11-3…分别对应在长度比尺1∶70物理模型上从上游至下游间隔0.5 m划分的第12、11…断面上对应的第1、2、3…流速点。

图5 试验流态和计算流态对比(工况1)

图6 试验流态和计算流态对比(工况4)

图7 物理模型试验和数值模拟平均水面线对比

图8 物理模型试验和数值模拟流速结果对比

工况1中，流速最大误差为0.19 m/s，平均误差为0.10 m/s，相对误差最大值为9.78%，相对误差平均值4.85%，均在合理范围内。最大误差出现在临时围堰上游龙口处，受围堰坡脚和龙口水流波动影响。物理模型试验和数值模拟流速分布整体趋势相似，最大流速分别为2.76 m/s和2.85 m/s，均出现在下游河道出口(-4断面)靠近左岸位置。束窄河床内水流均十分平顺。

工况4中，流速最大误差为0.39 m/s，平均误差为0.08 m/s，相对误差最大值为24.53%，相对误差平均值4.06%，均在合理范围内。流速最大误差出现在河道下游转角靠近左岸处，受河床变宽及河道转弯影响，该处水流流速跌落较为明显。物理模型实验和数值模拟流速分布整体趋势相近，最大流速分别为2.76 m/s和2.87 m/s，均出现在下游河道出口(-4断面)靠近左岸位置。束窄河床内水流平顺。

分析证明，计算结果和物理模型实验流速分布吻合良好。

4.2 合龙位置比较

为了进一步比较不同合龙位置的优劣，对工况2、工况3进行了计算。

(1) 束窄河床流态。对比工况1、工况2、工况3模拟的流态云图可见，束窄河床水流整体平顺，均无回流及旋涡现象。束窄河床水流经过纵向围堰外侧时流速稍有增加，围堰内部水流基本静止。从流态方面来看，三者区别不大。

(2) 束窄河床水面线。工况1束窄河床水流上下游水位差0.06 m，水力坡降0.007%。工况2束窄河床水流上下游水位差0.16 m，水力坡降0.019%。工况3束窄河床水流上下游水位差0.24 m，水力坡降0.029%。

对比可知，临时围堰在工况1时平均水面线最低，水力坡降最小。说明工况1的水流过渡最平缓，跌落小，围堰施工对束窄河床的干扰最少。从束窄河床水面线分析，一期临时围堰在中间合龙为最优方案。

(3) 束窄河床流速分布。工况1平均流速 2.29 m/s，工况2平均流速2.59 m/s，工况3平均流速2.46 m/s。

对比可知，临时围堰在工况1时平均流速最小，束窄河床流态最平稳。从流速分布分析，一期临时围堰在中间合龙为最优方案。

(4) 围堰龙口流速。工况1纵向围堰龙口上游堰脚流速1.79 m/s，堰顶流速0.95 m/s。龙口下游堰脚流速1.77 m/s，堰顶流速1.78 m/s。工况2纵向围堰龙口上游堰脚流速1.98 m/s，堰顶流速1.07 m/s。龙口下游堰脚流速1.80 m/s，堰顶流速1.93 m/s。工况3纵向围堰龙口上游堰脚流速2.38 m/s，堰顶流速1.45 m/s。龙口下游堰脚流速2.74 m/s，堰顶流速1.79 m/s。可见，工况1的龙口流速最小，最有利于抛投合龙。

综上所述，从束窄河床流态、水面线、流速分布及围堰龙口流速四方面综合分析，在相同过流量3 010 m3/s时，一期临时围堰选择在中间合龙为最优施工方案。

4.3 束窄河床通航能力

一期临时围堰合龙之后，对河床的束窄程度达到最大，水流流速增加。围堰挡水期通航要求的满足，主要取决于临时围堰合龙之后束窄河床的水力条件。

工况4、工况5、工况6、工况7分别模拟了在一期临时围堰全合龙之后不同流量下的工况。根据内河船舶通航能力和有关Ⅲ级航道标准规范，一期导流施工时1 000 t船队通航允许的水流条件：最小航道尺度=航宽×水深×弯曲半径=60 m×3.0 m×180 m(双线)，正向流速≤3.0 m/s，回流流速≤0.4 m/s，横向流速≤0.3 m/s。超过这个范围则应该采取辅助措施助航或禁止通航。

由表2可知，工况4、工况5、工况6、工况7水深大于3.0 m的束窄河床水面宽均远大于60 m，最大正向流速均小于3.0 m/s，水深均大于3.0 m。