狮子崖水库溢流坝挑流消能方案的数值模拟研究

摘要

挑流消能是应用较为广泛的消能方式之一，但由于许多水利工程位于山区峡谷地带，且下游河道出现较大弯道，若采用常规的连续鼻坎挑流消能进行泄洪，则挑射水流会直冲下游对岸，给岸坡造成严重的冲刷，满足不了水库的泄洪要求。为了保证水库的安全运行，需对挑流鼻坎结构进行优化设计，目的是使水舌沿河道纵向充分拉伸，达到使挑射水流归于主河槽的目的，这对保证大坝安全泄洪具有重要意义。 本文基于RNGk-ε湍流模型、VOF自由表面捕捉技术，结合狮子崖水库两岸山势陡峭、河谷狭窄、下游河道出现较大弯道的特殊地形条件，采用流体力学计算软件FLOW-3D模拟计算斜切鼻坎与燕尾坎两种挑流消能方案的泄水特性，并结合单体模型实验验证该数值模拟方法的合理性。主要研究内容及成果如下： (1)通过模型实验研究了连续鼻坎、斜切鼻坎、燕尾坎的水流形态，确认斜切鼻坎及燕尾坎挑流消能方案能达到减小水舌横向扩散并使水舌纵向充分拉伸的效果，同时结合数值模拟方法，对比水舌内外缘挑距、水舌最高点、反弧段压强分布值等，并对网格的收敛性及无关性进行分析，验证采用该数值模拟方法对复杂挑流方案的可行性。 (2)以狮子崖水库地形高程数据为基础，构建带三维地形的数值模型，对连续鼻坎挑流消能进行了数值模拟分析，表明使用连续鼻坎时挑射水流直接冲刷下游岸坡，难以满足泄洪要求，为此提出斜切鼻坎及燕尾坎两种挑流方案。 (3)针对斜切鼻坎及燕尾坎两种挑流消能方案进行计算分析。分别对200年一遇校核洪水标准、30年一遇设计洪水标准、20年一遇设计洪水标准、5年一遇设计洪水标准等4种工况进行数值模拟研究，分析了斜切鼻坎方案中不同斜切角与燕尾坎方案中不同缺口挑角、宽度对水舌形态的影响。研究发现，斜切鼻坎能使水舌在空中发生扭转，且水舌入水点位置沿河道弯曲方向发展，有效地将水舌沿纵向拉伸，达到使水舌归顺下游主河槽的目的；燕尾坎由于缺口的作用，导致水舌纵向扩散较充分，但水舌外缘离凹岸岸坡较近，归槽效果不佳。通过分析两种鼻坎挑射水流的水力特性，建议优先采用斜切鼻坎挑流消能方案。

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