深水水庫隔水幕布透水率對下泄水溫影響研究

王海軍， 馮立陽， 練繼建

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300350； 2.天津大學 建筑工程學院， 天津 300350)

1 研究背景

筑壩建庫是開發利用水資源的常用工程措施，但水庫蓄水運行改變了天然河道的水文水力特性，導致水溫結構發生變化。在調節性能較強的水庫中易形成水溫分層結構，這種水溫分層結構會引起原有水體的物理化學特性及生物物種分布的變化，導致下層水體常年維持在較低的溫度狀態。春夏季節水溫分層更為明顯，由于水電站引水口高程較低，下泄水流的水溫低于表層水溫[1-2]，對下游農漁業造成影響并威脅區域生物多樣性[3-5]。為提高下泄水溫，國內外通過分層取水等措施實現水庫水體內熱量調節和管理[6-7]。

對于已運行水庫，隔水幕布是一種有效的分層取水措施[8-9]。用于低溫水治理時將幕布置于壩前一定位置的水庫底層，選擇合適的擋水高度阻擋中、底層低溫水，使溫度較高的水體流經幕布上表面，與幕布至引水口間溫度分層的水體摻混，從而提高下泄水溫。最早在美國北加利福尼亞州Lewiston水庫和田納西州Cherokee水庫中進行隔水幕布攔擋底層低溫水試驗[10]。Vermeyen詳述了隔水幕布的設計、建造及運行性能等內容，并在Lewiston和Whiskeytown水庫中布置了3個隔水幕布探究其對水庫溫度的調控作用[11-12]。針對我國高壩大庫，中南院提出低溫水治理隔水網方案，練繼建等[13]依據幕布固定方式的不同，提出浮式、懸掛式及浮掛結合式隔水幕布。

在理論研究方面，Shammaa等[14]利用PIV和LIF技術在兩層密度分層水體中開展了物理模型試驗，研究了隔水幕布對平均流量、下泄水組成、分層界面變化和流場等方面的影響。練繼建等[15]通過數值模擬，實現了隔水幕布對下泄低溫水改善效果的研究。薛文豪等[16]探索了不同幕布布設方式對全庫區水溫的影響。盛傳明等[17]通過物理模型試驗與數值模型模擬相結合的方式，研究了繩索的受力特性。He Wei等[18]定量計算了幕布對水溫結構及水環境治理的潛在影響。在上述工程應用及物理模型中，幕布材料主要選用不透水的土工織物；數值模型中，通過參數設置將隔水幕布設置為不透水材料，未考慮幕布透水率參數對下泄水溫改善效果及幕布受力的影響。幕布主要材料為土工織物，此種材料由沿機器方向的經紗及與經紗垂直的緯紗織成，纖維之間存在空隙，因此具有一定的透水率。劉偉超[19]探究了土工布透水率在承受張力后與無荷載情況相比產生較大變化。在實際應用時，幕布透水率也將影響幕布總體受力，對錨固系統提出要求，因此進一步研究幕布材料透水率的影響對工程具有指導意義。

2 數值模型控制方程

本文采用計算流體力學軟件Flow3D進行數值模擬計算，考慮流體溫度變化對周圍流體密度的影響。因此需要求解基于流體力學基本控制方程，包括連續性方程、動量方程及能量方程，選用標準κ-ε紊流模型對方程進行封閉。使用基于結構化矩形網格的有限差分法離散控制方程，采用中心差分格式和迎風格式相結合的離散方法，離散后的差分方程由廣義極小殘差法(GMRES)進行求解，時間差分采用全隱格式。

Flow3D采用FAVORTM網格技術，求解的方程中包含體積孔隙度函數、體積分數VF與面積分數A。三維多孔材料的孔隙度定義為孔隙體積與材料總體積之比，如零體積孔隙體即為流體不能通過的障礙區域。而面積分數可以用來定義二維多孔薄擋板模型，通過此方式控制幕布孔隙率，不計流動損失。本文探究幕布透水率對其總體受力的影響，因此忽略幕布受力對孔隙率的影響，在模型計算時孔隙率參數值恒定。

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

能量方程：

RIDIF+TDIF

(6)

(7)

(8)

體積分數、面積分數方程：

(9)

(10)

式中：VF為體積分數；t為時間，s；ρ為流體密度，kg/m3；xi、xj為各方向坐標分量；ui、uj為x，y，z坐標方向的流速，m/s；Ai、Aj為面積分數；p為水壓力，Pa；Gi為x，y，z方向體積力加速度，m/s2；fi為x，y，z方向的黏滯項，具體見公式(3)～(5)；τij為流體切應力，N/m2，第1下標i為作用面，第2下標j為作用方向;μ為紊動運動黏滯系數，Pa·s；I為宏觀摻混內能；RIDIF為紊流耗散項;TDIF為熱傳導項，具體見公式(7)～(8)，公式(7)中系數υI=CIμ/ρ，CI為普朗特數的倒數；公式(8)中系數k為溫度傳導系數，可直接定義或給定為普朗特數。

3 數值模型建立

3.1 工程概況

某水庫正常蓄水位與防洪控制水位為475.00 m，電站進水口底板高程為408.00 m，4條引水隧洞內徑均為7 m，隧洞中心間距22 m，最大泄流流量870 m3/s，壩前平均水深超過130 m，該水庫具有穩定分層型水溫結構。

3.2 網格劃分及邊界條件設置

對庫區地形進行處理，構建壩前1.53 km水下三維地形，對各水工建筑物建立三維模型并進行網格劃分。計算區域長1.63 km，寬1.5 km，包括壩前1.53 km庫區、電站進水口及引水管道等，選取水流流向為y方向，橫向為x方向，高程方向為z方向。采用結構化網格，平均網格尺寸為30 m×50 m×2.5 m，加密取水口前150 m范圍內網格及取水層垂向網格，活動網格共計18×104個，庫區布置及計算區域網格劃分如圖1所示。

依據實測水文水溫、水位流量等數據確定不同工況模型的邊界條件及初始條件。上游入流邊界位于壩前1.53 km處，輸入實測垂向分層水溫；出流邊界位于引水管道末端，為上游水溫分布對應的下泄流量；設置模型初始水位為相應實測水位，水體靜止，z向重力加速度為-9.8 m/s2，熱傳導采用二階平流方法，壓強為靜水壓強分布，計算區域水體初始溫度設置為9.5 ℃。由于水庫庫容較大，壩前水位變化極小，模型表面采用剛蓋假定，水體流動時將自由液面視為可移動的固壁表面。底邊界及側邊界均采用無滑移條件，壁面上法向與切向流速均為零。不考慮流體與周圍固體的質量與熱量交換，河道表面糙率為0.035。

圖1 庫區布置及計算區域網格劃分示意圖

3.3 模型驗證

采用深水水庫實測水文水溫資料，對建立的三維水動力水溫數值模型的準確性進行驗證。

選取典型年5、6月份實測數據對模型進行驗證，如圖2所示。由圖2可看出，模擬與實測的壩前垂向水溫分布情況擬合較好。

對比未設置幕布模型計算所得下泄水溫與實測出庫水溫，其中5月下泄水溫計算值為17.16℃，實測出庫水溫為17.25℃，誤差為-0.09℃；6月下泄水溫計算值為19.30℃，實測出庫水溫為19.35℃，誤差為0.05℃。建立的數值模型能夠較好地模擬庫區壩前水域溫度分布情況。

3.4 工況設置

為分析幕布透水率對下泄水溫的影響，控制相同水溫分布條件下的各工況除幕布透水率外其余條件均相同，幕布型式為全封閉式，即在幕布不透水情況下僅可由幕布上方過流，幕布淹沒水深為30 m，布置于引水口前250 m處。根據實測數據設置模型的初始及邊界條件，在2種水溫分布下分別設計5種不同幕布透水率工況，具體工況設置見表1。設置5月水溫分布下的工況1～5，其中不透水幕布為工況1，幕布透水率為2%、3%、5%和7%的模型分別對應工況2～5，同樣設置6月水溫分布下的工況6～10。

4 不同幕布透水率影響效果分析

4.1 隔水幕布改善水溫效果

為分析隔水幕布改善水溫的效果，將采用不透水幕布的工況1、工況6模型計算所得結果與無幕布模型進行對比。工況1下泄水溫計算值為18.62 ℃，較無幕布模型下泄水溫提高1.46 ℃。工況6下泄水溫計算值為21.61 ℃，較無幕布模型下泄水溫提高2.31 ℃。

表1 模擬工況設置表

圖3為工況1壩前水域垂向流速矢量及溫度分布云圖(橫坐標為水流流向水平距離，縱坐標為高程)；圖4為幕布上下游垂向水溫分布(幕布上游測點位于引水口前275 m處，幕布下游測點位于引水口前235 m處)。綜合圖3和4對工況1進行分析可以看到，未設置幕布時壩前水溫呈現穩定的分層結構，由于受到溫度分層的抑制作用及壩前電站進水口拉動作用的影響，壩前水體為水平向的分層流動，同時在電站進水口附近形成流速較大的下泄主流帶，水庫表層及底層水體流速較??；采用不透水幕布后，表層水體自幕布上方流入幕布下側區域，破壞了原有下泄主流帶，使溫度較高的表層水體在垂向上擴散摻混，由于幕布所在斷面過流面積減小而流速增大，形成了具有較高水溫的下泄主流帶，實現下泄水溫的提高。但隨著表層高溫水摻混下泄，工況1幕布上游溫躍層水溫梯度減小，庫區水溫呈現整體降低的趨勢。

圖3 工況1壩前水域垂向流速矢量及溫度分布云圖

圖4 無幕布及工況1幕布上下游垂向水溫分布

4.2 透水率對水溫改善效果的影響

工況2的幕布上下游垂向水溫分布如圖5所示，下泄水溫計算值為18.14 ℃，較無幕布模型下泄水溫提高0.89 ℃，較工況1水溫改善效果下降0.57 ℃。

圖5 工況2幕布上下游垂向水溫分布

由于幕布材料透水，下層的低溫水透過幕布直接流入幕布下側區域，自幕布上方流入的表層較高溫度水體減少，減小了幕布對下泄主流帶流速的削弱作用，不利于幕布下游至引水口間水體充分摻混，水體仍呈分層流動特性。通過對比幕布上游15 m與500 m處的垂向水溫分布，可以看到幕布上游500 m處庫區水溫分布與幕布上游15 m處水溫相近(圖5)，當采用隔水幕布持續取用表層高溫水時，底層低溫水留滯于幕布上游庫區，使庫區水溫整體均勻降低。

圖6給出了典型年5、6月份水溫分布下各工況幕布下游垂向水溫分布情況。圖6表明，除不透水的工況1、工況6外，透水工況水體均為分層流動特性，透水率較水溫梯度對于流場影響更大，通過改變流場進而影響溫度改善效果。表2為各工況下泄水溫及幕布總體受力數值計算結果，由表2可見，不透水隔水幕布改善水溫效果最佳，6月份可提高2.31 ℃。隨幕布透水率增大，幕布對下泄主流帶的破壞效果逐漸減弱，水溫改善效果下降。5月水溫分布僅有工況1、2可以滿足魚類繁殖所需水溫，幕布透水對水溫改善效果影響較為明顯。

圖6 典型年5、6月份各工況幕布下游垂向水溫分布

表2 各工況下泄水溫及幕布總體受力數值計算結果

4.3 透水率對幕布總體受力的影響

提取幕布總體受力計算值如表2所示。對于透水率相同的工況，5月份幕布所受水平推力更小，這是由于5月下泄流量628.00 m3/s 小于6月下泄流量752.00 m3/s。下泄流量相同時，透水幕布的水平推力遠小于不透水幕布的水平推力，工況2幕布總體受力為95 t較工況1幕布受力降低86.7 %，工況7較工況6幕布受力降低76.4 %，透水率對幕布受力影響較為明顯，但隨著透水率增大，幕布受力降低效果減弱。綜合各工況結果，在工程應用中建議優先選擇不透水隔水幕布以保證改善下泄低溫水的最佳效果，但由于應用于水庫的幕布面積較大，隔水幕布所受總力較大，不透水幕布所受水平推力過大不利于施工下放及運行維護。因此應結合總體受力隨透水率變化情況，充分考慮幕布材料布置方向對透水率的影響，并考慮經濟性等因素選擇適當透水的幕布材料。

5 結 論

本文采用計算流體動力學軟件建立了深水水庫三維數值模擬模型，對透水率因素影響下的壩前水域流場、溫度場等特性進行了系統分析，闡述了隔水幕布的水溫改善效果，對比分析了幕布透水率對水溫改善效果及幕布總體受力的影響，所得結論如下：

(1)隔水幕布有效地改善了下泄水溫較低的情況。隔水幕布對水流流速及水溫結構有較大影響，有效提高了因水溫分層導致的低出庫水溫，具有推廣應用價值。

(2)幕布透水率對水溫改善效果影響較為明顯。隨著幕布透水率增大，水體仍為分層流動特性，水溫改善效果下降。

(3)幕布透水率對幕布所受水平推力影響較大。透水幕布的水平推力遠小于不透水幕布的水平推力，隨著透水率增大，幕布受力降低效果減弱。根據本文研究結果，對于該工程建議控制幕布材料的平均透水率不超過2 %以保證下游魚類繁殖需求。在滿足下泄水溫需求的前提下，選擇適當透水的幕布材料并充分考慮幕布材料布置方向對透水率的影響，降低幕布總體水平推力，有利于工程的施工運行維護及隔水幕布分層取水設施的應用推廣。