泄洪閘下游局部沖刷坑三維數值模擬

范愛民

西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 咸陽 712100

在泄洪閘開閘放水時，護坦末端的下游河床會被沖刷，尤其是沒有保護措施的下游河床更容易被沖刷。當沖刷坑沖刷深度較大并且接近建筑物和側岸時，將危及下游的防洪安全[1]，甚至引起閘的失事，這為我國水利經濟的發展帶來了很大的損失?，F實中由于沖刷造成的建筑物損壞的事例很多，如龔咀水電站1984年分水墻左側發現29個沖刷坑，漂木道右側發現38個沖刷坑，最大沖刷面積達到91m2，最深的沖刷深度達到了3.8m[2]；南津渡水庫和馬跡塘水電站下游河床都出現了不同程度的沖刷，消能設施遭受破壞[3]。諸如此類的事件較多，每次河床發生沖刷，都給社會經濟和安全帶來了一定的影響。因此，研究泄洪閘下游的沖刷問題，對于工程的設計及安全運行有著重要意義。

1 下游河床局部沖刷坑三維數值模擬

基于ANSYS Fluent軟件平臺，采用RNG k-模型、SIMPLE算法、VOF模型追蹤下游自由水面，結合動網格構建局部河床沖刷數值模型，對清水來流條件下當卡水電站泄洪閘下游局部沖刷問題進行三維數值模擬研究。

1.1 工程概況

文章研究選擇位于曲河中游的當卡水電站，上游距在建查隆通水電站10km，距玉樹州府結古鎮102km，距西寧市945km，距下拉秀鄉20km，交通較為便利。水工模型幾何比尺為1∶50，上游水庫為定床，下游河床為動床，模型采用有機玻璃制作。當卡水電站泄水閘縱剖面圖如圖1所示。

圖1 當卡水電站泄水閘縱剖面圖（單位：m）

1.2 計算區域網格劃分及邊界條件

運用ANSYS SCDM軟件對當卡水電站進行三維建模。采用ICEM CFD軟件對模型進行網格劃分，網格總數約為350萬。

邊界條件的設置如圖2所示。由圖2可見，水流進口采用速度入口邊界條件，空氣進口采用壓力進口，設置下游出口水深，因此選用壓力出口作為出水口邊界條件。

圖2 邊界條件設置示意圖（單位：m）

2 下游局部沖刷過程研究

2.1 沖刷坑數值模擬結果驗證

為了驗證基于Fluent軟件構建的河床局部沖刷數值模型的可靠性，采用流量為345.36m3/s、400.48m3/s，泥沙粒徑為100mm、50mm的組合的三種工況下的數值模擬結果與水工物理模型的試驗數據進行對比[4]，沖刷坑深度及沖刷坑長度的對比如表1所示。由表1可見，三種工況下的沖刷坑深度相對誤差范圍為1.79%～2.91%，沖刷坑長度相對誤差范圍為2.38%～5.06%，驗證結果較好。

表1 沖刷深度及沖刷長度對比

2.2 沖刷坑形態不同時期變化規律

泄洪閘流量為345.36m3/s，泥沙粒徑為100mm的工況下，下游河床中軸線局部沖刷過程沖刷坑縱向形態不同時期變化規律如圖3所示。由圖3可知，下游河床沖刷坑形態隨時變化。在河床沖刷過程中，隨著下游河床沖刷坑的發展，沖刷坑底部平整床面的范圍不斷減小，沖刷坑的背水坡及迎水坡也不斷變化；在沖刷初期沖刷最為強烈，沖刷坑深度增加到一定程度后，進入沖刷的發展階段，沖刷坑范圍向下游擴張速度有所降低，當達到沖刷末期后，沖刷坑范圍及深度基本不再改變。

圖3 下游河床沖刷坑縱向形態不同時期變化規律

2.3 床沙粒徑對沖刷坑形態的影響

泄洪閘流量為345.36m3/s，泥沙粒徑為100mm、50mm的工況下，下游局部河床沖刷末期沖刷坑縱向形態的對比如圖4所示。由圖4可知，隨著泥沙粒徑的減小，沖刷坑縱向剖面范圍逐漸增大；反之，沖刷坑范圍及深度減小。究其原因，是因為床面泥沙粒徑越小，需要的泥沙起動流速也越慢。

圖4 不同河床沙粒徑下沖刷坑縱向形態的對比

2.4 泄流量對沖刷坑形態的影響

泥沙粒徑為50mm，泄洪閘流量為345.36m3/s、400.48m3/s的兩種工況下，下游局部河床中軸線極限沖刷平衡階段沖刷坑縱向形態的對比如圖5所示。由圖5可知，在床面泥刷坑范圍及深度是呈現增大趨勢的。究其原因，是因為泄流量越大，消力池護坦末端的流速越快，下游河床沖刷程度也就越嚴重，最終導致河床容易被沖刷。

圖5 不同流量下沖刷坑縱向形態的對比

2.5 床面切應力不同時期變化規律

各階段泄洪閘流量為345.36m3/s，泥沙粒徑為100mm的工況下，河床中軸線上的局部沖刷過程床面切應力沿程分布規律如圖6所示。

圖6 沖刷坑發展過程床面切應力變化

由圖6可知，各沖刷階段床面切應力均沿程先增大后減小，沖刷坑上下游坡面泥沙臨界起動切應力均大于平坡臨界起動切應力，床面切應力大于臨界起動切應力的位置上均發生了沖刷，且切應力峰值基本位于各階段最大沖刷坑深度位置上?？傮w來看，床面沖刷區域隨沖刷時間發展而減小。

沖刷初期，閘壩下游91.81～127.44m范圍床面切應力均大于泥沙臨界起動切應力，在閘壩下游101.94m處達到切應力峰值3.5051Pa，遠大于床面臨界起動切應力，該階段沖刷坑范圍迅速擴大，深度迅速增加。沖刷中期，閘壩下游99.43～111.47m范圍床面切應力均大于泥沙臨界起動切應力，范圍相對于沖刷初期有所減小，在閘壩下游104.84m處達到切應力峰值2.0941Pa，該階段沖刷坑范圍繼續向下游擴張，但擴張速度有所降低。極限沖刷平衡階段，床面切應力峰值位于閘壩下游104.58m處，切應力值為1.1993Pa，小于平坡泥沙起動切應力1.3124Pa，整個下游河床的泥沙都不再起動輸移，沖刷坑形態也不再變化。綜上所述，床面切應力是影響沖刷坑形態的主要因素，其中對于距離護坦末端比較遠的河床水流切應力較小，致使床面沒有產生沖刷。

3 結論

文章基于Fluent軟件建立了局部河床沖刷數值模型，模擬了當卡水電站下游局部河床沖刷過程，主要得出以下結論：

（1）下游河床沖刷坑形態隨時變化，沖刷初期沖刷坑發展最快；沖刷中期沖刷坑深度變化速率減小，范圍繼續向下游擴張；沖刷末期沖刷坑范圍及深度均不再變化。

（2）在同一泄流量不同粒徑條件下，下游河床的沖刷坑范圍及深度隨著床面泥沙粒徑增大呈減小趨勢；同一粒徑不同泄流量條件下，下游河床的沖刷坑范圍及深度隨著泄流量增大呈增大趨勢。

（3）隨著下游局部沖刷坑的發展，床面切應力也不斷發生變化，是影響沖刷坑形態的主要因素。