三峽水庫近壩區泥沙輸移數值模擬分析
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作者:羅倫 沈思敏
摘要：本文采用MIKE軟件MT模塊對三峽水庫近壩區泥沙輸移進行數值模擬，探究了近壩區流場及泥沙分布特性。模擬結果表明：在枯水期175m水位，開啟3#、7#、13#、15#、20#、26#機組工況下近壩區各機組泥沙含量分布較均勻，有利機組同步檢修;在豐水期145m水位，機組全開且不開啟泄洪深孔的工況下，可明顯看到左岸和右岸機組的泥沙含量分別有相應的峰值，其中左岸較右岸泥沙含量高。深孔的開啟會引起近壩區流場的變化和泥沙的重新分布。
關鍵詞：泥沙分析;三峽水庫;近壩區;泥沙含量;數值模擬
中圖分類號：TV145+.3文獻標識碼：A文章編號：1006―7973（2022）08-0119-04
三峽水利樞紐是世界上規模最大的水利工程，其泥沙輸移問題一直是眾多學者關注的熱點。王玲等[1]和魏麗等[2]對三峽水庫長江上游水沙變化進行了分析，董年虎等[3]對三峽水庫不平衡泥沙的輸移規律進行了研究，馬琳等[4]對三峽電站過機泥沙含量進行了初步監測分析，黃仁勇等[5]對三峽水庫庫區水沙輸移進行了數值模擬研究。本文搜集大壩上游廟河水文站多年水文泥沙的基礎資料，采用MIKE軟件MT模塊對近壩區水域泥沙輸移進行了數值模擬研究。
1工程概況及控制方程
1.1工程概況
圖1為三峽工程樞紐布置示意圖。水電站采用壩后式布置方案，其中左電廠和右電廠分別有14臺和12臺機組。
1.2控制方程
本文水動力模型主要控制方程為水流連續性方程和不可壓縮的Navier-Stokes方程，在泥沙模擬研究[5]論文中已給出。MIKE軟件中泥沙輸運（MT模塊）的控制方程如下：
2泥沙輸運模型建立及率定
2.1研究區域及W格
本文選取了廟河水文站至壩前部分水域（長度為18.4km，邊線為175m高程線）為研究區域，用MIKE軟件建立的研究區域數學模型如圖2所示。
研究區域采用非結構化三角形網格，設定網格內角在27°以上，并對壩前200m內區域和某些水深變化大的區域進行局部加密。通過不同數目的網格無關性驗證，確定采用的總網格節點數為234300，研究區域整體網格如圖3所示。
2.2模擬計算設置
本研究采用有限體積法對控制方程進行離散，采用二階迎風格式進行空間離散。上游和下游分別采用入口流量和出口流量的邊界條件。泥沙模型的主要參數為沉速，水平紊動擴散系數，沉積及侵蝕系數等，需根據驗證資料進行率定。根據現有資料將泥沙沉速定為常數，時間步長為60s。
2.3模型的率定與驗證
本次選擇2010年7月19日的洪峰過程工況來對模型進行率定，得到最終模型采用的主要參數見下表1。圖4為當日不同機組進水口泥沙含量模擬值與實測值對比圖，發現曲線整體趨勢一致，模擬結果接近實測值，說明采用此泥沙運輸模型對各機組進水口泥沙含量模擬預測是可行的。
3工況計算與分析
3.1工況的選擇
本文按照水庫的調度方式選擇四種典型工況來進行近壩區泥沙輸運數值模擬計算，選定的工況如表2所示。
3.2不同工況計算結果分析
當機組同步進行檢修時，可減少分次檢修的不便，故認為各機組泥沙分布均勻的工況為有利機組同步檢修的工況。
3.2.1175m運行工況結果分析
圖5、圖6和圖7、圖8分別為在175m水位工況1和工況2條件下，模擬得到的壩前流場和泥沙場分布圖。從圖5和圖7中可看出，在開啟的機組進水口處流速較大。從圖6和圖8中可看出，壩前泥沙含量分布整體呈現從中間向兩側逐漸減小的分布。
為進一步分析，繪制工況1和工況2各機組進水口處含沙量數據的柱狀圖9和圖10。從圖9中可看出，1#至26#機組進水口處泥沙含量呈“駝峰”型式，其中在14#機組進水口處泥沙含量達到峰值。從圖10中可看出，1#至26#機組進水口處泥沙含量左岸側小，中間分布較均勻。以上分析發現工況1條件下，位于主流中間機組較位于兩岸機組進水口處含沙量差別較大，不利于同步檢修機組。工況2條件下，中間機組進水口處含沙量分布較均勻，有利機組同步檢修。
3.2.2145m運行工況結果分析
圖11、圖12和圖13、圖14分別為在145m水位工況3和工況4條件下，模擬得到的壩前流場和泥沙場分布圖。圖11和圖12中可看出，在開啟的機組進水口處流速較大，壩前泥沙含量分布整體呈現從中間大兩側小的分布。對比圖11和圖12，圖13和圖14中開啟泄洪深孔后，壩前水域左岸機組段、中間溢流壩段、右岸機組段附近流速都較大，泥沙分布也發生部分變化，說明深孔開啟會改變壩前流場和泥沙場分布。
圖15和圖16為工況3和工況4各機組進水口位置處含沙量數據圖。從圖15中可看出，左岸和右岸機組的泥沙含量分別有相應的峰值，其中左岸較右岸含沙量高。從圖16中可看出，1#～26#機組進水口處含沙量分布呈“先增大，后減小”的趨勢，在15#機組進水口處含沙量最大，兩側1#和26#機組含沙量最小，主流附近各機組含沙量分布較均勻。
4結論
本文采用MIKE軟件MT模塊對三峽水庫近壩區水域流場及各機組進水口處泥沙分布特性進行模擬分析。結果表明：
?。?）在枯水期175m水位運行工況下，工況2（開啟3#、7#、13#、15#、20#、26#機組）條件下能使各機組泥沙含量分布較均勻，對機組同步檢修有利;工況1（開啟7#、10#、13#、15#、18#、20#機組）會導致位于主流中間的機組較位于兩岸的機組進水口位置處含沙量差別較大，不利于同步檢修機組。
?。?）在豐水期145m水位，未開啟泄洪深孔的情況下，可看到左岸和右岸的機組的泥沙含量分別有相應的峰值，其中左岸較右岸泥沙含量高。深孔的開啟可以改變壩前流場和泥沙分布情況。
參考文獻：
[1]王玲，易瑜.長江上游寸灘水文站水沙變化分析[J].水利水電快報，2003（01）：14-15.
[2]魏麗，盧金友，劉長波.三峽水庫蓄水后長江上游水沙變化分析[J].中國農村水利水電，2010（06）：1-4+8.
[3]董年虎，方春明，曹文洪.三峽水庫不平衡泥沙輸移規律[J].水利學報，2010，41（06）：653-658.
[4]馬琳，高千紅，廖正香.三峽水電站過機泥沙量初步監測與分析[J].人民長江，2012，43（02）：96-100.
[5]黃仁勇，李飛，張細兵.三峽水庫運用初期庫區水沙輸移數值模擬[J].長江科學院院報，2012，29（01）：7-12.
nlc202209191016
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