CN110046469B - 多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法，属于水工结构和河流模拟技术领域，该方法通过针对水电站坝前的多控制边界条件水沙数学模型问题，提出了分步迭代的求解方法。第一步，不考虑发电站取水口等约束条件的影响，根据水电站的调度方式给定出口断面的水位控制条件，进口边界给定流量过程；第二步，根据第一步的条件计算得到水位作为模型上游边界条件，水电站取水口的流量作为下游边界条件；计算完成后对坝前的平均流速和水流挟沙力进行修正，然后代入河床变形的计算式，即可得到多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算量。本发明能准确模拟复杂条件下的流场，修正后的结果与实际情况更加符合。

Description

多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法
技术领域
本发明属于水工结构和河流模拟技术领域，具体涉及多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法。
背景技术
水利枢纽工程坝前水工建筑物众多，主要包括：发电引水建筑物进水口、岸边溢洪道、生态放水孔、泄洪排沙洞、放空洞等。发电引水建筑物主要功能为发电供水，按照分层取水要求，通过机组发电后进入河道向下游灌溉、生态供水。岸边溢洪道：作为主要泄水建筑物，具有超泄能力，承担泄放校核洪水、设计洪水和常遇洪水。生态放水孔：初期蓄水时向下游泄放生态流量，初期运行时具备紧急降低和放空水库的功能。永久运行时，与电站、放空洞联合承担下游灌溉及生态放水的任务。泄洪排沙洞：作为次要泄水建筑物，辅助溢洪道泄放校核洪水、设计洪水和常遇洪水。放空洞：在紧急状况下降低水位、放空水库，以便检修大坝等建筑物。与电站及生态放水孔联合承担下游灌溉及生态放水的功能。
水利枢纽坝前流态关系到水工建筑物尺寸的设计和布置点的选取，因此，水流枢纽设计过程中需要对坝前流态有明确的认识。实际工程中常采用水工物理模型试验进行研究，在模型试验中开展不同条件的水流试验，得到坝前的流态。该方法较为准确，但研究周期较长。
随着计算机的发展，许多学者采用数值模拟的方法来模拟水工建筑物前的流态。常规的数值模型只有两个控制条件，上游边界采用水位或流量，下游边界也采用水位或流量，但水电站取水口前除了上游的流量条件、下游的水位条件外，在下游边界还增加了孔口出流的条件，增加了约束控制，按照常规的数学模型难以充分利用已有的控制条件，模拟坝前的流态和冲淤变化。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法，该方法通过针对水电站坝前的多控制边界条件水沙数学模型问题，提出了分步迭代的求解方法。
多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法，包括如下步骤：
步骤一，确定包含水工建筑物的研究区域，对研究区域进行网格剖分，采用实测地形高程数据进行插值，得到网格节点上的高程；
步骤二，分类列出步骤一确定的研究区域中所有的边界条件，进行水文资料分析，选取典型的计算条件；
步骤三，建立包含研究区域的平面二维数学模型并进行验证，率定得到研究区域的糙率；
步骤四，不考虑发电站取水口的影响，采用步骤二中的边界条件，模型进口断面给定流量边界条件，出口断面采用开边界条件，即流速梯度为0，并根据水电站的调度方式给出出口断面的水位控制条件；
步骤五，采用步骤三建立的平面二维数学模型，按照步骤四中的边界条件，计算得到上游边界的水位；
步骤六，将步骤五中计算得到的水位作为模型的上游进口边界条件，水电站取水口的流量作为下游边界条件；确定取水口中心点至水面的距离H1、中心点至河床的距离H2以及取水口的过水高度H3，通过取水口的流量和相关水深，可以计算得到取水口的初始流速；
步骤七，采用步骤六中的边界条件进行数值模拟计算，记录计算得到的研究区域网格节点上的平均流速U和平均含沙量S；
步骤八，对取水口前10H3距离内的平均流速进行修正，修正值U0＝λ1U，λ1为流速修正系数；
步骤九，对取水口前10H3距离内的含沙量进行修正，修正值S0＝λ2S，λ2为含沙量修正系数；
步骤十，根据河床变形方程，任意一时段坝前网格节点上的冲淤变形数值为：其中，α为恢复饱和系数，当河床淤积时取0.25，当河床冲刷时取1.0；ρ′为淤积泥沙容重；S*为水流挟沙力；S0为平均含沙量；将水流挟沙力和平均含沙量的表达式代入上式，即可得到取水口附近的河床变形值：
Figure BDA0002057097410000022
进一步地，所述的步骤六中，取水口处的初始流速为
Figure BDA0002057097410000023
其中Q为取水口的流量，单位m3/s，V为取水口处的平均流速，π为圆周率，取3.14。
进一步地，所述的步骤八中，取水口附近的平均流速修正系数与坝前水深和过水深度相关，建议取
Figure BDA0002057097410000031
则流速修正为
Figure BDA0002057097410000032
进一步地，所述的步骤九中，取水口附近的平均流速大于平面二维数学模型计算的流速，对应的含沙量也应大于数学模型计算的含沙量，且与坝前水深相关，建议取
Figure BDA0002057097410000033
则修正后的含沙量S0为
Figure BDA0002057097410000034
进一步地，所述的步骤十中，采用张瑞瑾公式
Figure BDA0002057097410000035
计算水流挟沙力，H＝H1+H2为坝前水深；将修正的流速代入张瑞瑾公式，对应的水流挟沙力为
Figure BDA0002057097410000036
其中S*为水流挟沙力，ω为沉速，g为重力加速度。
有益效果：与现有技术相比，本发明的多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法，克服了传统数学模型不能充分考虑边界条件的不足，能准确模拟复杂条件下的流场。在取水口附近，该方法修正了传统二维数学模型计算得到的平均含沙量和平均流速，修正后的结果与实际情况更加符合。
附图说明
图1为多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法流程图；
图2为研究区域网格划分示意图；
图3为水电站研究区域示意图；
图4为一步计算后研究区域水位分布图；
图5为第二步计算后水工建筑物前流态；
图6为水库运行50年后计算得到的坝前局部三维地形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法，包括如下步骤：
步骤一，确定包含水工建筑物的研究区域，对研究区域进行网格剖分，采用实测地形高程数据进行插值，得到网格节点上的高程；
步骤二，分类列出步骤一确定的研究区域中所有的边界条件，进行水文资料分析，选取典型的计算条件；
步骤三，建立包含研究区域的平面二维数学模型并进行验证，率定得到研究区域的糙率；
步骤四，不考虑发电站取水口的影响，采用步骤二中的边界条件，模型进口断面给定流量边界条件，出口断面采用开边界条件，即流速梯度为0，并根据水电站的调度方式给出出口断面的水位控制条件；
步骤五，采用步骤三建立的平面二维数学模型，按照步骤四中的边界条件，计算得到上游边界的水位；
步骤六，将步骤五中计算得到的水位作为模型的上游进口边界条件，水电站取水口的流量作为下游边界条件；确定取水口中心点至水面的距离H1、中心点至河床的距离H2以及取水口的过水高度H3，通过取水口的流量和相关水深，可以计算得到取水口的初始流速；
步骤七，采用步骤六中的边界条件进行数值模拟计算，记录计算得到的研究区域网格节点上的平均流速U和平均含沙量S；
步骤八，对取水口前10H3距离内的平均流速进行修正，修正值U0＝λ1U，λ1为流速修正系数；
步骤九，对取水口前10H3距离内的含沙量进行修正，修正值S0＝λ2S，λ2为含沙量修正系数；
步骤十，根据河床变形方程，任意一时段坝前网格节点上的冲淤变形数值为：
Figure BDA0002057097410000041
其中，α为恢复饱和系数，当河床淤积时取0.25，当河床冲刷时取1.0；ρ′为淤积泥沙容重；S*为水流挟沙力；S0为平均含沙量；将水流挟沙力和平均含沙量的表达式代入上式，即可得到取水口附近的河床变形值：
Figure BDA0002057097410000042
步骤六中，取水口处的初始流速为其中Q为取水口的流量，单位m3/s，V为取水口处的平均流速，π为圆周率，取3.14。
步骤八中，取水口附近的平均流速修正系数与坝前水深和过水深度相关，建议取
Figure BDA0002057097410000051
则流速修正为
Figure BDA0002057097410000052
步骤九中，取水口附近的平均流速大于平面二维数学模型计算的流速，对应的含沙量也应大于数学模型计算的含沙量，且与坝前水深相关，建议取
Figure BDA0002057097410000053
则修正后的含沙量S0为
Figure BDA0002057097410000054
步骤十中，采用张瑞瑾公式
Figure BDA0002057097410000055
计算水流挟沙力，H＝H1+H2为坝前水深；将修正的流速代入张瑞瑾公式，对应的水流挟沙力为
Figure BDA0002057097410000056
其中S*为水流挟沙力，ω为沉速，g为重力加速度。
以新疆大石峡水利枢纽工程为例进行计算。
(1)计算范围的选取
二维数模计算范围：根据设计单位提供的坝区地形资料，选取建模范围为坝前1.1km至大坝坝址。上游断面为河道进口，下游断面布置水工建筑物，主要包括混凝土面板砂砾石坝、溢洪道、泄洪洞、电站机组、放空洞。
(2)网格划分和地形插值
为详细反映河道形态、枢纽布置，采用贴体网格划分计算区域，对溢洪道、泄洪洞、电站机组、放空洞等建筑物区域局部加密，布置8482个网格，计算网格如图1所示。图2为模拟河段插值后的三维地形。
(3)确定计算条件
上游为条件为来水来沙量，下游有水位条件和溢洪道、泄洪洞、电站机组、放空洞的流量控制条件。根据水文资料分析和水电站的运用方式确定100年一遇的水文条件，如表1所示。
表1泄水建筑物的泄洪运行组合表
Figure BDA0002057097410000057
Figure BDA0002057097410000061
(4)糙率的率定
采用大石峡水库建库前天然实测水文资料对二维数学模型进行了验证。表2为天然条件下实测水位与计算水位对比。由表可知，模型计算水位与实测较为接近，最大差值为7cm，符合相关要求，说明模型选取的糙率合理。
表2天然条件下实测与计算水位对比
Figure BDA0002057097410000062
(5)第一步计算得到进口断面的水位
进口断面采用流量条件2931m3/s，出口断面采用1700m水位控制，模拟计算得到进口断面的水位1700.1m，图2为研究区域水位分布图。
(6)更换模型边界条件，重新计算研究区域的流场。
进口断面采用水位边界条件1700.1m，下游采用流量边界条件控制，其中溢洪道下泄流量1609.8m3/s，泄洪洞下泄流量1025m3/s，电站机组下泄流量296.2m3/s，总共下泄流量2931m3/s。图3为计算得到的水工建筑物前流态，水流进入溢洪道的水流主要有两股，一是大坝前沿水流；二是溢洪道上游水流。受泄洪洞的影响，水电站前的水流均偏向泄洪洞。泄洪洞前沿流速最大；由于坝前控制水位较高，坝区整体水深较大，坝区内的流速均较小。该计算结果与实际相符。
(7)记录(6)中计算的流速和含沙量，并按照
Figure BDA0002057097410000071
和
Figure BDA0002057097410000072
对建筑物前10H3范围内的流速和含沙量进行修正。
(8)按照公式
Figure BDA0002057097410000073
计算某一时段坝前河床的冲淤变化，并多个时段累加，得到多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形结果。图4为一步计算后研究区域水位分布图；图5为第二步计算后水工建筑物前流态；图6为水库运行50年后计算得到的坝前局部三维地形图。
本发明的描述和应用实例是说明性的，发明使用范围并非限制在上述实施例中。本发明专利使用人员及本领域技术人员须知晓并执行的是，如对本发明技术方案的细节或形式进行的合理修改或替换，均落入本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，确定包含水工建筑物的研究区域，对研究区域进行网格剖分，采用实测地形高程数据进行插值，得到网格节点上的高程；
步骤二，分类列出步骤一确定的研究区域中所有的边界条件，进行水文资料分析，选取典型的计算条件；
步骤三，建立包含研究区域的平面二维数学模型并进行验证，率定得到研究区域的糙率；
步骤四，不考虑发电站取水口的影响，采用步骤二中的边界条件，模型进口断面给定流量边界条件，出口断面采用开边界条件，流速梯度为0，并根据水电站的调度方式给出出口断面的水位控制条件；
步骤五，采用步骤三建立的平面二维数学模型，按照步骤四中的边界条件，计算得到上游边界的水位；
步骤六，将步骤五中计算得到的水位作为模型的上游进口边界条件，水电站取水口的流量作为下游边界条件；确定取水口中心点至水面的距离H1、中心点至河床的距离H2以及取水口的过水高度H3，通过取水口的流量和相关水深，可以计算得到取水口的初始流速；
步骤七，采用步骤六中的边界条件进行数值模拟计算，记录计算得到的研究区域网格节点上的平均流速U和平均含沙量S；
步骤八，对取水口前10H3距离内的平均流速进行修正，修正值U0＝λ1U，λ1为流速修正系数；
步骤九，对取水口前10H3距离内的含沙量进行修正，修正值S0＝λ2S，λ2为含沙量修正系数；
步骤十，根据河床变形方程，任意一时段坝前网格节点上的冲淤变形数值为：
Figure FDA0002274140980000011
其中，α为恢复饱和系数，当河床淤积时取0.25，当河床冲刷时取1.0；ρ′为淤积泥沙容重；S*为水流挟沙力；ω为沉速；S0为平均含沙量；将水流挟沙力和平均含沙量的表达式代入上式，即可得到取水口附近的河床变形值：
Figure FDA0002274140980000021
2.根据权利要求1所述一种多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法，其特征在于：所述的步骤六中，取水口处的初始流速为
Figure FDA0002274140980000022
其中Q为取水口的流量，单位m3/s，V为取水口处的平均流速，π为圆周率，取3.14。
3.根据权利要求1所述一种多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法，其特征在于：所述的步骤八中，取水口附近的平均流速修正系数与坝前水深和过水深度相关，取则流速修正为
Figure FDA0002274140980000024
4.根据权利要求1所述一种多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法，其特征在于：所述的步骤九中，取水口附近的平均流速大于平面二维数学模型计算的流速，对应的含沙量也应大于数学模型计算的含沙量，且与坝前水深相关，取则修正后的含沙量S0为
Figure FDA0002274140980000026
5.根据权利要求1所述一种多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法，其特征在于：所述的步骤十中，采用张瑞瑾公式
Figure FDA0002274140980000027
计算水流挟沙力，H＝H1+H2为坝前水深；将修正的流速代入张瑞瑾公式，对应的水流挟沙力为
Figure FDA0002274140980000028
其中S*为水流挟沙力，ω为沉速，g为重力加速度。
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