這篇文章由BC Hydro水力技術(shù)部門的專家工程師Faizal Yusuf, M.A.Sc., P.Eng.提供。

BC Hydro是一家位于英屬哥倫比亞的公共電力公司，利用FLOW-3D來研究幾個現(xiàn)有大壩的復(fù)雜水力問題，并協(xié)助設(shè)計和優(yōu)化設(shè)施。我們的土木和環(huán)境客戶使用FLOW-3D HYDRO進行這些模擬分析。本文介紹了三個案例研究，強調(diào)了FLOW-3D HYDRO在不同類型的溢流道上的應(yīng)用，以及可靠的原型或水力模型試驗數(shù)據(jù)對數(shù)值模型校準的重要性。

W. A. C. Bennett大壩 - 溢流道的沖擊波

在W. A. C. Bennett大壩，由于1960年代的水力模型試驗與原型溢流道的幾何形狀有所差異，因此很難從試驗結(jié)果中得到可靠的沖擊波形成和溢流道容量的結(jié)論。混凝土溢流道中的沖擊波大小受到入口處的三個射流閘門下游的溢洪道寬度減少44%以及射流閘門相對開度的影響。這些沖擊波導(dǎo)致了局部水位上升，在某些歷史操作條件下導(dǎo)致了溢洪道的溢流。

2012年進行了高達2865m3/s排放量的原型溢流測試，以提供沿溢流槽壁的水面剖面測量數(shù)據(jù)、溢流槽中水面的3D激光掃描以及流態(tài)的視頻，用于FLOW-3D HYDRO模型校準。數(shù)值模型與現(xiàn)場觀測結(jié)果高度一致，特別是在溢流槽壁上第一個沖擊波的位置和高度方面（見圖1）。

經(jīng)校準的FLOW-3D HYDRO模型證實，只要按照現(xiàn)有的操作命令開啟所有三個射流閘門，并確保外側(cè)閘門開啟程度超過內(nèi)側(cè)閘門，設(shè)計洪水就可以安全地通過，而不會溢過溢洪道壁。

CFD模型可以深入了解溢洪道的混凝土損壞情況。從FLOW-3D HYDRO模擬結(jié)果計算的空化指數(shù)與USBR的實際數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果與溢洪道的歷史表現(xiàn)一致。數(shù)值分析支持了現(xiàn)場檢查，得出的結(jié)論即溢洪道混凝土損壞可能并非由空化引起。

圖1. 貝內(nèi)特大壩溢洪道在排洪量2865m3/s時，現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)與FLOW-3D HYDRO仿真結(jié)果的比較。

Strathcona大壩 - 惡劣進水條件和溢洪道流量曲線的不確定性

利用FLOW-3D HYDRO探討Strathcona水壩溢洪道的惡劣進水狀況以及流量曲線的不確定性。該溢洪道位于大壩右側(cè)護坡，設(shè)有三個垂直升降閘門。Strathcona溢洪道的流量曲線是透過經(jīng)驗調(diào)整和有限的水力模型試驗所獲得，而該模型試驗并不包括護坡和墩基的幾何形狀。

根據(jù)1982年的現(xiàn)場勘測結(jié)果，我們進行了數(shù)值模擬和校準。當時，三個閘門完全打開，造成左側(cè)海灣上游水面出現(xiàn)大凹陷。水流往左側(cè)海灣引流時，由于平行于大壩軸線流動，而且流過土壩上游斜坡附近的混凝土擋土墻，使水流扭曲。水流進入另外兩個海灣時則順暢得多。數(shù)值模型與原型相比流型非常相似，閘門部分的模擬水位與1982年現(xiàn)場測量值的誤差在0.1米以內(nèi)。

圖2. 1982年Strathcona大壩溢洪情況的原型觀測和FLOW-3D HYDRO模擬結(jié)果

在所有閘門全開的情況下，經(jīng)過校準的CFD模型在水庫正常操作范圍內(nèi)產(chǎn)生的排水量與溢洪道流量曲線的誤差在5%以內(nèi)。然而，當水庫水位較高時，模擬排水量與流量曲線之間的差異超過10%，因為水力模型試驗采用簡化幾何形狀和經(jīng)驗修正，無法完全反映復(fù)雜的進水水流。FLOW-3D HYDRO模型提供了對流量曲線準確性的進一步了解，包括單個海灣、閘門條件以及孔口和自由表面流動之間的過渡。

圖3. Strathcona大壩溢洪道的模擬結(jié)果顯示，在大洪水通過期間，所有閘門在水庫水位升高時完全打開。請注意最左側(cè)海灣惡劣的進水條件和橋墩漫頂?shù)挠绊憽?/p>

John Hart大壩 - 溢洪道優(yōu)化

John Hart混凝土大壩將進行改造，包括一個新的自由頂溢洪道，位于現(xiàn)有的閘門溢洪道和目前正在建設(shè)的低水位出口結(jié)構(gòu)之間。通過使用FLOW-3D HYDRO的系統(tǒng)優(yōu)化流程，對擬建溢洪道的設(shè)計進行了重大改進。

自由頂溢洪道的初步設(shè)計是基于工程水力設(shè)計指南。混凝土護坦塊旨在保護大壩坡腳的巖石。新的右側(cè)導(dǎo)流墻將引導(dǎo)水流從新溢洪道流向尾水池，并保護低水位出口結(jié)構(gòu)免受溢洪道排放的影響。

新溢洪道初始設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的FLOW-3D HYDRO模擬結(jié)果如圖4所示。CFD分析使排水能力提高了10%，溢洪道坡頂上方的路面受水沖擊顯著減少，流態(tài)得到改善，包括沿建議的右墻水位最多降低了5米。水力模型試驗將用于確認設(shè)計方案。

圖4. John Hart大壩溢洪道初步方案和優(yōu)化方案的模擬結(jié)果

結(jié)論

BC Hydro一直在使用FLOW-3D Hydro研究不同類型溢洪道和輸水結(jié)構(gòu)的各種具有挑戰(zhàn)性的水力學(xué)問題，從而大大提高了對流態(tài)和性能的理解。盡可能使用原型數(shù)據(jù)和可靠的水力模型試驗來提高數(shù)值模型結(jié)果的可信度。