赤道幾內亞吉布洛上游調蓄水庫泄洪建筑物流態三維模擬計算

丁旭

（ 黃河勘測規劃設計有限公司， 河南 鄭州 450003）

1 工程概況

RIO WELE河發源于加蓬境內， 經赤道幾內亞入海，流域面積13 250 km2。 河源地海拔高程720 m，自東向西流經赤道幾內亞，最后注入大西洋，全長361 km。

吉布洛上游調蓄水庫為大（ 1）型工程，設計洪水標準[1]為500年一遇，校核洪水標準為10 000年一遇。

特征水位：

正常蓄水位：625.00 m。

設計洪水位：625.23 m；下游水位：606.22 m。

校核洪水位：626.27 m；下游水位：606.53 m。

水庫首部樞紐采取混合壩型式，河床壩段為混凝土泄洪建筑物，兩岸連接壩段為心墻堆石壩[2]，最大壩高50 m。 混凝土泄洪建筑物長113 m，從左岸至右岸依次布置1個排漂壩段、3個表孔泄洪壩段[3]和3個底孔泄洪壩段組成，泄洪建筑物平面布置見圖1。

2 模型計算的目的

本工程泄洪建筑物的樞紐布置方案，具有以下幾個顯著特點：

1） 混凝土泄洪建筑物與心墻堆石壩連接采用了混凝土心墻與土壩裹頭相結合方案。 采用此方案水庫在泄洪運行過程中，存在順壩流問題，為了保證壩體安全，需要了解順壩流范圍以及裹頭各斷面流速分布情況。

2） 泄洪建筑物由底孔、 表孔和排漂道3種泄洪建筑物組成，具有泄量大，泄流條件復雜的特點，需驗證各泄洪建筑物在給定工況下的泄量[4]。

3） 壩下游未作消能工，考慮利用巖石自身抗沖能力，僅考慮設置防沖護坦。 泄洪壩段下游流態對下游防護措施和防護的范圍確定至關重要。 因此，需了解泄洪建筑物下游流場的流速分布情況。

圖1 泄洪建筑物平面布置圖Fig. 1 The plan of the flood discharge structure

3 計算辦法

本文建立了耦合VOF（ volume of fluid）方法[5]的RNG k-ε模型。 用來模擬控制閘段的三維水流[6]流態。 RNG（ renormalization group）k-ε模型[7]是一種改進的k-ε模型，基于多尺度隨機過程重整化思想，方程形式同標準k-ε模型相似， 模式常數由重整化理論算出，該模型可以更好的處理高應變率及流線彎曲程度較大的波動，適用于計算復雜水躍流態模擬。

4 模型的建立

1） 利用建模軟件建立計算區域的三維模型，如圖2所示。

2） 工況

本次主要進行了校核洪水工況的計算。

5 流態分析

5.1 整體流態

上游水位為626.27 m，相應下游水位為606.53 m，排漂壩段、表孔壩段及底孔壩段閘門全開。

圖2 泄洪壩段實體三維模型Fig. 2 The three dimensional solid model of the flood discharge structure

首部樞紐進水流流態整體平順圖3， 右側回流沖刷裹頭部位后，越過擋土墻跌落至水躍前端如圖4所示。排漂壩段的流量為255 m3/s，表孔壩段的堰流流量為3 590 m3/s，底孔壩段的孔流流量為4 260 m3/s。

5.2 泄流流量

各壩段泄流流量見表1。

5.3 順壩流流速

5.3.1 大壩上游順壩流流速

左側裹頭上游部位順壩流流速在1.5 m/s以下，右側裹頭上游絕大部分部位順壩流流速在3.5 m/s以下，如圖5所示。 上游右側擋土墻[8]對3號底孔的進流流態產生一定影響。 靠近3號底孔的擋土墻頂部的流速較大，局部最大流速達到5.5 m/s。

圖3 整體流態速度云圖1（ m/s）Fig. 3 The velocity cloud No.1 of the flow regime

表1 各壩段泄流流量統計Tab. 1 The discharge capacity of the flood discharge structure

圖5 壩上0-028.00斷面上游順壩流（ m/s）Fig. 5 The flow regime of the section（ D0-028.00）

5.3.2 大壩下游順壩流流速

泄流擴散后在擋土墻墻后形成的回流，使下游裹頭部位產生順壩流，左側裹頭下游部位順壩流流速在2 m/s以下，右側裹頭下游部位順壩流流速在4 m/s以下，參見圖6。

圖6 壩下0+025.00斷面下游順壩流（ m/s）Fig. 6 The flow regime of the section（ D0+025.00）

5.3.3 大壩下游流場

經過水躍消能， 池中底部流速由22 m/s減到12 m/s以下，壩下0+110.00 m斷面大部分流速在4～7 m/s，參見圖7。

圖7 壩下0+110.00、0+140.00、0+180.00斷面流速（ m/s）Fig. 7 The flow regime of the section（ D0+110.00，D0+140.00 and D0+180.00）

6 結論及建議

上游右側擋土墻對3號底孔的進流流態產生一定影響。 靠近3號底孔的擋土墻頂部的流速較大，局部最大流速達到5.5 m/s， 裹頭部位的順壩流基本在2～3 m/s。

消力池兩側的擋土墻兼有導墻的功能，擋土墻布置應考慮對水流的影響。

泄流進入消力池[9]后，沿右側擋土墻水平擴散，回流沖刷裹頭部位后， 越過擋土墻跌落到水躍前端。 排漂壩段左側部位也有類似流態，但因排漂壩段泄量小，不良流態較右側弱。

消力池末端水流局部流速達到12 m/s， 水流出消力池后流速在6 m/s左右，應充分考慮河床的抗沖刷能力。

結合各部位流態分布情況，考慮采取以下工程措施消除目前存在的不良流態。

1） 增加右岸上游裹頭擋墻的高度，降低擋墻對3號底孔進流流態的影響。

2） 增加下游表孔壩段和底孔壩段之間中隔墻的高度，避免泄洪時橫向流對泄洪的影響。

3） 加強下游兩岸裹頭的結構強度，避免泄洪回水對裹頭造成的淘刷破壞。

4） 在護坦末尾設置深齒墻，避免泄洪較大流速對護坦結構造成破壞。

通過三維數值模擬計算，充分了解各部位的流速分布和流態情況。 為更合理地確定樞紐總體布置和建筑物體型提供了依據，這個方法合理高效。

[1] 中華人民共和國水利部. SL252-2000水利水電工程等級劃分及洪水標準[S]. 北京： 中國水利水電出版社， 2000.

[2] 中華人民共和國水利部. SL274-2001碾壓式土石壩設計規范[S]. 北京： 中國水利水電出版社， 2002.

[3] 中華人民共和國水利部. SL319-2005混凝土重力壩設計規范[S]. 北京： 中國水利水電出版社， 2005.

[4] 武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室. 水力計算手冊[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2006： 73-104.

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[8] 中華人民共和國水利部. SL379-2007水工擋土墻設計規范[S]. 北京： 中國水利水電出版社， 2007.

[9] 孫永娟， 孫雙科. 高水頭大單寬流量底流消能技術研究成果綜述[J]. 水力發電， 2005， 31（ 8）： 70-73.SUN Yongjuan， SUN Shuangke. Summary on research results of underflow energy dissipation technology with high head and large unit-width discharge[J]. Water Power，2005， 31（ 8）： 70-73（ in Chinese）.