溢洪道水力评估
这篇文章由BC Hydro水力技术部门的专家工程师Faizal Yusuf, M.A.Sc., P.Eng.提供。
BC Hydro是一家位于英属哥伦比亚的公共电力公司，利用FLOW-3D来研究几个现有大坝的复杂水力问题，并协助设计和优化设施。我们的土木和环境客户使用FLOW-3D HYDRO进行这些模拟分析。本文介绍了三个案例研究，强调了FLOW-3D HYDRO在不同类型的溢流道上的应用，以及可靠的原型或水力模型试验数据对数值模型校准的重要性。
W. A. C. Bennett大坝 - 溢流道的冲击波
在W. A. C. Bennett大坝，由于1960年代的水力模型试验与原型溢流道的几何形状有所差异，因此很难从试验结果中得到可靠的冲击波形成和溢流道容量的结论。混凝土溢流道中的冲击波大小受到入口处的三个射流闸门下游的溢洪道宽度减少44%以及射流闸门相对开度的影响。这些冲击波导致了局部水位上升，在某些历史操作条件下导致了溢洪道的溢流。
2012年进行了高达2865m³/s排放量的原型溢流测试，以提供沿溢流槽壁的水面剖面测量数据、溢流槽中水面的3D激光扫描以及流态的视频，用于FLOW-3D HYDRO模型校准。数值模型与现场观测结果高度一致，特别是在溢流槽壁上第一个冲击波的位置和高度方面（见图1）。
经校准的FLOW-3D HYDRO模型证实，只要按照现有的操作命令开启所有三个射流闸门，并确保外侧闸门开启程度超过内侧闸门，设计洪水就可以安全地通过，而不会溢过溢洪道壁。
CFD模型可以深入了解溢洪道的混凝土损坏情况。从FLOW-3D HYDRO模拟结果计算的空化指数与USBR的实际数据进行比较，结果与溢洪道的历史表现一致。数值分析支持了现场检查，得出的结论即溢洪道混凝土损坏可能并非由空化引起。
图1. 贝内特大坝溢洪道在排洪量2865m³/s时，现场观测数据与FLOW-3D HYDRO仿真结果的比较。
Strathcona大坝 - 恶劣进水条件和溢洪道流量曲线的不确定性
利用FLOW-3D HYDRO探讨Strathcona水坝溢洪道的恶劣进水状况以及流量曲线的不确定性。该溢洪道位于大坝右侧护坡，设有三个垂直升降闸门。Strathcona溢洪道的流量曲线是透过经验调整和有限的水力模型试验所获得，而该模型试验并不包括护坡和墩基的几何形状。
根据1982年的现场勘测结果，我们进行了数值模拟和校准。当时，三个闸门完全打开，造成左侧海湾上游水面出现大凹陷。水流往左侧海湾引流时，由于平行于大坝轴线流动，而且流过土坝上游斜坡附近的混凝土挡土墙，使水流扭曲。水流进入另外两个海湾时则顺畅得多。数值模型与原型相比流型非常相似，闸门部分的模拟水位与1982年现场测量值的误差在0.1米以内。
图2. 1982年Strathcona大坝溢洪情况的原型观测和FLOW-3D HYDRO模拟结果
在所有闸门全开的情况下，经过校准的CFD模型在水库正常操作范围内产生的排水量与溢洪道流量曲线的误差在5%以内。然而，当水库水位较高时，模拟排水量与流量曲线之间的差异超过10%，因为水力模型试验采用简化几何形状和经验修正，无法完全反映复杂的进水水流。FLOW-3D HYDRO模型提供了对流量曲线准确性的进一步了解，包括单个海湾、闸门条件以及孔口和自由表面流动之间的过渡。
图3. Strathcona大坝溢洪道的模拟结果显示，在大洪水通过期间，所有闸门在水库水位升高时完全打开。请注意最左侧海湾恶劣的进水条件和桥墩漫顶的影响。
John Hart大坝 - 溢洪道优化
John Hart混凝土大坝将进行改造，包括一个新的自由顶溢洪道，位于现有的闸门溢洪道和目前正在建设的低水位出口结构之间。通过使用FLOW-3D HYDRO的系统优化流程，对拟建溢洪道的设计进行了重大改进。
自由顶溢洪道的初步设计是基于工程水力设计指南。混凝土护坦块旨在保护大坝坡脚的岩石。新的右侧导流墙将引导水流从新溢洪道流向尾水池，并保护低水位出口结构免受溢洪道排放的影响。
新溢洪道初始设计和优化设计的FLOW-3D HYDRO模拟结果如图4所示。CFD分析使排水能力提高了10%，溢洪道坡顶上方的路面受水冲击显著减少，流态得到改善，包括沿建议的右墙水位最多降低了5米。水力模型试验将用于确认设计方案。
图4. John Hart大坝溢洪道初步方案和优化方案的模拟结果
结论
BC Hydro一直在使用FLOW-3D Hydro研究不同类型溢洪道和输水结构的各种具有挑战性的水力学问题，从而大大提高了对流态和性能的理解。尽可能使用原型数据和可靠的水力模型试验来提高数值模型结果的可信度。
