泄洪非恒定流數(shù)學(xué)模型報(bào)告

1、 成果編號(hào)： 密 級(jí)：廣西邕寧水利樞紐工程泄洪調(diào)度對(duì)牛灣港作業(yè)區(qū)水流的影響分析南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2014年6月項(xiàng)目名稱：廣西邕寧水利樞紐工程水工水力學(xué)試驗(yàn)研究項(xiàng)目編號(hào)： Hj114001項(xiàng)目委托單位：南寧交通投資有限責(zé)任公司項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：韓昌海 宣國(guó)祥報(bào)告編寫(xiě)人：李艷富 韓昌海 楊宇 主要參加人：韓昌海 宣國(guó)祥 楊宇 李艷富 李茜希 貝永發(fā) 王玲珍 徒金水報(bào)告評(píng)審人：趙建平（高級(jí)工程師）、張銘（高級(jí)工程師）報(bào)告審查人：嚴(yán)根華（教授級(jí)高工）報(bào)告審批人：吳時(shí)強(qiáng)（教授級(jí)高工、所長(zhǎng)）目 錄1.概述11.1.工程概況11.2.樞紐布置11.3.研究?jī)?nèi)容22.基本資料5

2、2.1.水文條件52.2.樞紐水庫(kù)泄洪調(diào)度方案83.數(shù)學(xué)模型133.1.洪水過(guò)程數(shù)學(xué)模型133.2.平面二維水流數(shù)學(xué)模型154.計(jì)算條件184.1.計(jì)算范圍184.2.參數(shù)選定194.3.計(jì)算條件195.計(jì)算成果分析215.1.固定來(lái)流下泄工況215.2.正常泄洪工況285.3.快速泄洪工況345.4.預(yù)泄工況396.結(jié)論及建議45摘 要南寧港中心城港區(qū)牛灣作業(yè)區(qū)工程位于邕寧水利樞紐牛灣壩址下游3km處，樞紐泄洪過(guò)程中，隨泄流量變化在樞紐下游出現(xiàn)非恒定流，非恒定流在河道中出現(xiàn)水位變幅，影響港區(qū)船舶航行和?？堪踩１緢?bào)告通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬了不同樞紐泄洪調(diào)度方式下的河道非恒定流過(guò)程，研究了牛灣作業(yè)區(qū)

3、附近河道的水流條件，分析了不同泄洪方式下泄流過(guò)程對(duì)牛灣港作業(yè)區(qū)水流條件的影響。固定來(lái)流工況、正常泄洪工況、快速泄洪工況、預(yù)泄泄洪工況的泄洪過(guò)程中，非恒定流引起的牛灣港區(qū)小時(shí)水位變幅最大出現(xiàn)在港區(qū)上游段銀泉碼頭處。對(duì)于正常泄洪過(guò)程、快速泄洪過(guò)程、預(yù)泄泄洪過(guò)程和固定來(lái)流樞紐泄洪過(guò)程，每一個(gè)工況洪水泄洪非恒定過(guò)程中，水位時(shí)變幅均小于1m，滿足航道通航安全要求。各種樞紐泄洪方式中，港區(qū)附近航道流速分布較為均勻，主流基本沿河道中心線方向，流態(tài)良好，流速值滿足規(guī)范要求的流速指標(biāo)。對(duì)于固定來(lái)流樞紐泄洪工況和快速泄洪工況，非恒定流最大小時(shí)水位變幅較大，建議樞紐泄流增量不宜超過(guò)1000m3/s，同時(shí)采取適當(dāng)?shù)谋?/p>

4、護(hù)措施以保證牛灣港作業(yè)區(qū)船閘?？亢瓦M(jìn)出安全。需要指出的是，實(shí)際運(yùn)行中河道水面可能受到風(fēng)浪、泥沙淤積等因素影響，水位波動(dòng)值略有偏差。廣西南寧市邕寧水利樞紐工程泄洪運(yùn)行調(diào)度對(duì)牛灣港作業(yè)區(qū)水流的影響分析1. 概述1.1. 工程概況南寧市邕寧水利樞紐工程是一個(gè)以改善城市環(huán)境和水景觀、航運(yùn)為主，兼顧其它的綜合利用水利樞紐工程，是經(jīng)修編后的郁江干流綜合利用規(guī)劃中的第二十一個(gè)梯級(jí)。牛灣壩址位于郁江干流南寧段邕江下游青秀區(qū)仙葫開(kāi)發(fā)區(qū)牛灣半島處，上距南寧市邕江一橋44km，距老口樞紐74km，下距西津水電站124 km。牛灣壩址以上流域面積為75801km2，多年平均流量1287km3/s，多年平均徑流量406

5、.0億m3。水庫(kù)正常蓄水位 67m，相應(yīng)庫(kù)容3.05億m3，水庫(kù)總庫(kù)容7.1億m3；電站總裝機(jī)容量57.60MW，多年平均發(fā)電量2.269億kWh；河流航道等級(jí)為級(jí)，樞紐船閘最大通航船舶噸位為2000t級(jí)船舶（隊(duì)）。1.2. 樞紐布置本工程樞紐總體布置采用攔河壩樞紐與通航建筑物船閘分散布置，樞紐總體布置見(jiàn)圖1-1所示。攔河樞紐壩址軸線處于反“S”型河段的中段偏下游；船閘位于河流左岸凸岸，牛灣半島與陸地交匯處，裁彎取直布置方式。本工程地處低丘陵、平原區(qū)，其主要特點(diǎn)是：梯級(jí)開(kāi)發(fā)利用水頭低，泄洪量大，為低壩開(kāi)發(fā)的壩式樞紐工程。本工程泄洪建筑物選用泄流能力較強(qiáng)的WES低底坎堰型、大孔口的閘壩型式，泄流

6、閘壩段布置在中部，幾乎占滿整個(gè)原河床，樞紐閘壩平面布置見(jiàn)圖1-2所示。電站水頭由泄水閘壩的擋水閘門集中，洪水期閘壩開(kāi)敞式泄洪。攔河樞紐建筑物沿壩軸線從左至右依次布置：23.0m長(zhǎng)左岸接頭砼門庫(kù)壩；河中布置305m長(zhǎng)的13孔泄洪閘壩；147.07m長(zhǎng)右岸電站廠房，安裝6臺(tái)單機(jī)容量為9.6MW的燈泡貫流式水輪電機(jī)組；36m右岸接頭砼重力壩，其中，魚(yú)道在靠近廠房安裝間側(cè)，穿過(guò)右岸接頭砼重力壩段；277m長(zhǎng)右岸連接土壩。壩頂總長(zhǎng)度為832.07m（不包括左岸連接土壩），壩頂高程為81.10m。兩岸壩頭設(shè)置回車平臺(tái)，壩頂布置10m寬的交通橋與左、右上壩公路連接。本樞紐泄水建筑物由13孔溢流閘壩和消力池等

7、消能防沖建筑物組成。溢流壩總長(zhǎng)305.0m，壩頂寬度41.1m，壩頂高程81.10m。13孔泄水閘由10孔實(shí)用堰和3孔平頂堰組成，堰頂高程55.0m，溢流閘孔凈寬20m，5#閘墩厚度6.0m外，其余13個(gè)閘墩厚度均為3.0m。工作門采用弧形閘門，由布置在閘墩頂?shù)?“QHLY-2×30008.5”型液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。閘壩上、下游各設(shè)一道檢修閘門，采用平面鋼閘門，均由壩頂2×800/2000kN單向門機(jī)操作。南寧港中心城港區(qū)牛灣作業(yè)區(qū)工程位于邕寧水利樞紐牛灣壩址下游，郁江右（南）岸，左岸為牛灣半島，共有17個(gè)泊位，泊位岸線總長(zhǎng)1944m，見(jiàn)圖1-1所示。牛灣作業(yè)區(qū)工程上游是已建銀

8、泉碼頭的1#、2#泊位，下游17#泊位位于邕寧水利樞紐船閘下游引航道出口上游，17#泊位下游端部距離船閘下游引航道出口距離約300m。牛灣港作業(yè)區(qū)河段不受邕寧水利樞紐船閘影響，過(guò)閘船舶不需經(jīng)過(guò)牛灣港區(qū)就可直接駛離港區(qū)上、下游。牛灣港區(qū)作業(yè)區(qū)工程分：銀泉碼頭工程、牛灣作業(yè)區(qū)一期工程和牛灣作業(yè)區(qū)二期工程進(jìn)行分期建設(shè)。牛灣作業(yè)區(qū)遠(yuǎn)期規(guī)劃部分緊鄰牛灣作業(yè)區(qū)17#泊位下游。銀泉碼頭工程于2008年銀泉碼頭已經(jīng)正式投入使用，納入牛灣港區(qū)的總體規(guī)劃之中，作為牛灣作業(yè)區(qū)的1#、2#泊位。牛灣作業(yè)區(qū)一期工程于2011年4月動(dòng)工興建，一期工程接已建銀泉碼頭的1#、2#兩個(gè)泊位，從3#泊位開(kāi)始往下游布置3#13#泊

9、位。牛灣作業(yè)區(qū)二期工程緊鄰牛灣作業(yè)區(qū)一期工程建設(shè)，共擬建4個(gè)泊位，分別為14#17#泊位。計(jì)劃于2013年12月開(kāi)工，2014年12月底竣工交付使用。1.3. 研究?jī)?nèi)容洪水期，樞紐泄水閘運(yùn)行調(diào)節(jié)上游入庫(kù)洪水，當(dāng)來(lái)水流量Q3900m3/s時(shí)，水庫(kù)敞開(kāi)泄水閘門泄流；當(dāng)來(lái)水流量Q3900m3/s時(shí)，需根據(jù)水庫(kù)調(diào)洪方式以及樞紐泄水閘運(yùn)行調(diào)度規(guī)則開(kāi)啟泄水閘泄洪。樞紐泄洪過(guò)程中，隨泄流量變化在樞紐下游出現(xiàn)非恒定流，非恒定流在河道中出現(xiàn)水位變幅。本報(bào)告擬通過(guò)洪水過(guò)程數(shù)學(xué)模型和平面二維水流數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法模擬河道非恒定流過(guò)程，研究樞紐不同泄洪調(diào)度方式條件下牛灣作業(yè)區(qū)附近河道的水流條件，進(jìn)而分析樞紐泄洪調(diào)度

10、方式對(duì)對(duì)牛灣港作業(yè)區(qū)水流條件的影響，進(jìn)一步優(yōu)化樞紐運(yùn)行調(diào)度方式，以消減樞紐的建設(shè)和運(yùn)行對(duì)牛灣港作業(yè)的影響，創(chuàng)造良好的港區(qū)作業(yè)條件。3 廣西南寧市邕寧水利樞紐工程泄洪運(yùn)行調(diào)度對(duì)牛灣港作業(yè)區(qū)水流的影響分析圖 11 邕寧水利樞紐總體布置圖5圖1- 2 樞紐閘壩平面布置圖（10孔實(shí)用堰+3孔平頂堰） 廣西南寧市邕寧水利樞紐工程泄洪運(yùn)行調(diào)度對(duì)牛灣港作業(yè)區(qū)水流的影響分析2. 基本資料2.1. 水文條件根據(jù)郁江防洪體系和百色、老口水庫(kù)的防洪蓄泄規(guī)則，百色、老口水庫(kù)調(diào)洪后南寧水文站設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表2-1。表2-1百色、老口水庫(kù)調(diào)洪后南寧水文站（壩址）設(shè)計(jì)洪水（流量單位：m3/s）洪峰頻率P（%）0.050.1

11、0.20.51251020南寧站天然281002630024500221002030018400159001390011800各斷面天然水位流量關(guān)系曲線表，見(jiàn)表2-2，其中大東瓜壩址位于牛灣壩址下游14km處。表2-2 各斷面天然水位流量關(guān)系曲線表牛灣壩下100m牛灣船閘出口H（m.黃基）Q（m3/s）H（m.黃基）Q（m3/s）54.00054.00056.2348.355.8048.357.2319056.7519058.2344857.7544859.1879658.7079660.18123059.70123061.18173060.65173062.13231061.65231063

12、.13299062.60299063.56335063.10335064.01376063.55376064.46418064.05418064.91460064.48460065.41506064.98506065.88550065.45550066.38600065.95600066.88650066.44650067.35700066.94700067.78748067.43748068.26803067.93803068.74862068.43862068.83870068.52870069.27919068.93919069.80978069.43978070.341040069.9

13、31040070.901110070.431110071.451182070.931182072.001260071.481260072.601345072.051345072.881390072.341390073.011410072.471410073.201433072.581433073.801530073.091530074.131590073.371590074.281610073.531610074.381633073.611633074.781700073.961700074.981745074.151745075.011750074.181750075.451840074.6

14、21840075.611870074.781870075.801910074.971910076.202010075.372010076.322030075.502030076.712152075.892152076.942210076.122210077.212310076.392310077.592450076.772450077.712500076.892500078.012630077.192630078.412810077.5928100受樞紐下游西津電站回水影響后，各斷面水位流量關(guān)系曲線表見(jiàn)表2-3。表2-3 西津電站影響后各斷面水位流量關(guān)系曲線表牛灣壩下100m東瓜壩下100m流

15、量（m3/s）水位（m.黃基）流量（m3/s）水位（m.黃基）12059.36 12059.35 20060.01 20059.99 44860.58 44860.54 79661.08 79661.00 123061.62 123061.50 173062.20 173062.04 231062.87 231062.67 299063.76 299063.51 335064.16 335063.86 377064.69 377064.29 418065.17 418064.72 460065.67 460065.17 506066.15 506065.60 550066.58 550065.

16、98 600066.97 600066.32 牛灣壩址斷面處沒(méi)有實(shí)測(cè)水位流量資料，郁江長(zhǎng)塘水文站位于牛灣樞紐下游約13.6公里處，大冬瓜壩址上游400m處。長(zhǎng)塘水文站具有2011年4月1日至2012年3月31日的實(shí)測(cè)資料，圖2-1給出了三場(chǎng)典型洪水過(guò)程的長(zhǎng)塘水文站洪水水位和流量資料。 （a）（b）（c）圖2-1三場(chǎng)典型洪水過(guò)程長(zhǎng)塘水文站水文要素圖2.2. 樞紐水庫(kù)泄洪調(diào)度方案正常蓄水位67m，下游最低尾水位57.6m。設(shè)計(jì)洪水位（P1%）76.07，設(shè)計(jì)洪水下泄流量19100m3/s，相應(yīng)下游水位75.80m。校核洪水位（P0.1%）78.46m，校核洪水下泄流量26300m3/s，相應(yīng)下游水

17、位78.01m。牛灣壩址洪水期泄水閘運(yùn)行調(diào)度如下：（1）當(dāng)水庫(kù)來(lái)水流量Q1500m3/s時(shí)，水庫(kù)維持在67.0m運(yùn)行，來(lái)水通過(guò)水輪機(jī)發(fā)電下泄；（2）當(dāng)水庫(kù)來(lái)水流量1500Q2000m3/s時(shí)，水庫(kù)在67.066.58m運(yùn)行，來(lái)水主要通過(guò)水輪機(jī)發(fā)電下泄；其中水輪機(jī)下泄1838.4m3/s，多余水通過(guò)開(kāi)啟7#泄洪閘下泄；（3）當(dāng)水庫(kù)來(lái)水流量2000Q2500m3/s時(shí)，水庫(kù)在66.5866.13m運(yùn)行，水輪機(jī)下泄?jié)M機(jī)流量，多余水通過(guò)開(kāi)啟7#泄洪閘下泄；（4）當(dāng)水庫(kù)來(lái)水流量2500Q3000m3/s時(shí)，水庫(kù)在66.1365.71m運(yùn)行，水輪機(jī)下泄?jié)M機(jī)流量，多余水通過(guò)開(kāi)啟5#,7#,9#泄洪閘下泄；（

18、5）當(dāng)水庫(kù)來(lái)水流量3000Q3500m3/s時(shí)，水庫(kù)在65.7165.31m運(yùn)行，水輪機(jī)下泄?jié)M機(jī)流量，多余水通過(guò)開(kāi)啟1#,3#,5#,7#,9#泄洪閘下泄；（6）當(dāng)水庫(kù)來(lái)水流量3500Q3900m3/s時(shí)，水庫(kù)在65.3165.14m運(yùn)行，為減少庫(kù)區(qū)淹沒(méi)，水庫(kù)逐步敞開(kāi)閘門，水輪機(jī)受阻無(wú)法發(fā)電，來(lái)水主要通過(guò)開(kāi)啟全部泄洪閘下泄；（7）當(dāng)水庫(kù)來(lái)水流量Q3900m3/s時(shí)，水庫(kù)敞開(kāi)閘門泄流；（8）當(dāng)水庫(kù)來(lái)水流量為2年一遇Q8700m3/s時(shí)，水庫(kù)敞開(kāi)閘門泄洪，壩上水位68.97m，壩下水位68.83m，上下游水位差僅為14cm；（9）當(dāng)水庫(kù)來(lái)水流量為50年一遇Q19100m3/s時(shí)，水庫(kù)敞開(kāi)閘門泄洪，

19、壩上水位76.00m，壩下水位75.80m，上下游水位差僅為20cm。表2-4 泄水閘局部開(kāi)啟工況表（m3/s）序號(hào)Q總（m3/s)Q發(fā)電（m3/s)Q壩（m3/s)H上（m）H下（m）H（m）Vc（m/s)e/H相對(duì)開(kāi)度120001834.4165.666.5862.374.2113.150.075 225001834.4665.666.1362.83.3312.890.116 330001834.41165.665.7163.422.2912.630.150 435000350065.3163.951.3612.350.239 539000390065.1464.390.7512.1410

20、 廣西南寧市邕寧水利樞紐工程泄洪運(yùn)行調(diào)度對(duì)牛灣港作業(yè)區(qū)水流的影響分析本工程選取了4個(gè)典型來(lái)水過(guò)程，分別是1955年9月26日至27日、1994年6月17日至18日、2001年5月26日至27日以及2008年8月8日至9日。經(jīng)過(guò)對(duì)典型時(shí)段來(lái)水過(guò)程計(jì)算分析，擬定三種水庫(kù)泄洪調(diào)度方式，分別為正常泄洪工況、快速泄洪工況、預(yù)泄工況，三組典型來(lái)水過(guò)程對(duì)應(yīng)的下泄量過(guò)程見(jiàn)表2-5，表2-6，表2-7。此外，根據(jù)上游老口下泄特點(diǎn)，擬定6組固定來(lái)流下泄工況，各工況下泄流量過(guò)程見(jiàn)表2-8所示。表2-5 4個(gè)典型來(lái)水過(guò)程正常泄洪工況樞紐泄流量過(guò)程表（m3/s）時(shí)刻(h)1955年1994年2001年2008年0150

21、015001500150011700200018001900219002500210024003210030002400270042300320026002750525003200280028006270033002900285072900330030002900830003350310029509310034003200300010320034503300305011330035003400314012340035003500323013350035503550335014360035503600346015370036003650352016380036003700358017390036

22、5037503640184000365038003700193900370038503760203900375039003820213750395038802238004000390023380040502438504100253900405026390040002739003950283900表2-6 4個(gè)典型來(lái)水過(guò)程快速泄洪工況樞紐泄流量過(guò)程表（m3/s）時(shí)刻(h)1955年1994年2001年2008年01500 1500 1500 1500 12330 2330 2330 2330 23130 3130 3130 3130 33930 3930 3930 3930 44800 4800

23、 4800 4800 54740 4820 4790 4760 64450 4550 4520 4480 74190 4310 4280 4220 83970 4110 4070 4000 93940 3890 表2-7 4個(gè)典型來(lái)水過(guò)程預(yù)泄泄洪工況樞紐泄流量過(guò)程表（m3/s）時(shí)刻(h)1955年1994年2001年2008年01800 1800 1800 1800 11800 1800 1800 1800 21800 1800 1800 1800 31800 1800 1800 1800 41800 2100 1800 1800 51800 2400 2300 1800 61800 2500

24、 2400 1900 72200 2550 2500 2000 82300 2600 2600 2100 92400 2650 2700 2200 102500 2700 2750 2300 112600 2750 2800 2400 122700 2800 2850 2500 132800 2850 2900 2600 142900 2900 2950 2800 153000 2950 3000 3100 163100 3000 3050 3300 173300 3050 3100 3400 183500 3100 3150 3500 193800 3150 3200 3600 203900

25、 3200 3250 3700 213400 3300 3800 223500 3350 3900 233600 3400 243650 3500 253720 3600 263870 3700 273900 3800 283900 表2-8 6組固定來(lái)流下泄工況樞紐泄流量過(guò)程表（m3/s）時(shí)刻(h)Q來(lái)=500m3/sQ來(lái)=1500m3/sQ來(lái)=2000m3/sQ來(lái)=2500m3/sQ來(lái)=3000m3/sQ來(lái)=3500m3/s050015002000250030003500115002330281033003790419022500313036104120441041203320039304

26、460458042704060438004800469043804150401054000470044304190404039606362043904200403039403910733304110398038803850387083070385037903750377038409285036403630364037003800102640345034903540364037701124303280335034503580375012224031203230336035303730132060297031203290348037101418802840302032103430369015171

27、02720293031503400368016156026102850309033603660171420251027703040333036501812902420270029903300363019117023402640295032803620201060227025902910325036102197022002530287032303600228902130249028403210359023820207024402810319035802476020202400278031703580213. 數(shù)學(xué)模型3.1. 洪水過(guò)程數(shù)學(xué)模型3.1.1基本方程洪水在狹窄河道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)具有明顯一維特

28、征，常采用St.Vennant方程組描述：連續(xù)方程： （3.1） 運(yùn)動(dòng)方程： （3.2）式中：為流量(m3/s)；為斷面面積(m2)；為水位 (m) ；為河面總寬度(m)；為旁側(cè)入流在水流方向上的流速分量(m/s)；為流量模數(shù)：，為謝才系數(shù)(m0.5/s)；為動(dòng)量修正系數(shù)：，R為水力半徑(m)。 3.1.2定解條件模型定解條件，包括初始條件和邊界條件。上游邊界為一般給定流量過(guò)程，下游邊界為給定水位-流量關(guān)系曲線。初始條件包括初始河道流量和河道水位。3.1.3模型驗(yàn)證為了驗(yàn)證洪水過(guò)程數(shù)學(xué)模型，采用郁江長(zhǎng)塘水文站2011年4月1日至2012年3月31日的三場(chǎng)典型洪水實(shí)測(cè)資料為依據(jù)，根據(jù)牛灣壩址到大

29、東瓜壩址之間的河道槽蓄作用，推求了三場(chǎng)洪水過(guò)程對(duì)應(yīng)的入流過(guò)程，下游水位按照受西津電站回水影響的水位流量關(guān)系控制。通過(guò)長(zhǎng)塘水文站處的水位觀測(cè)值對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖3-1圖3-3所示，吻合較好，說(shuō)明模型能夠較好地模擬研究區(qū)的非恒定流過(guò)程。圖3-1 2001年6月洪水過(guò)程的水位驗(yàn)證圖3-2 2001年9月洪水過(guò)程的水位驗(yàn)證圖3-3 2001年10月洪水過(guò)程的水位驗(yàn)證3.2. 平面二維水流數(shù)學(xué)模型3.2.1基本方程建立沿水深平均的引航道平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析引航道水流條件。沿水深平均的平面二維水流數(shù)學(xué)模型基本方程由連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成，其形式為：連續(xù)方程： 動(dòng)量方程：

30、 式中： H、z分別為水深和水位（m）； u，v分別為x，y方向的水流流速（m/s）； t為紊動(dòng)粘性系數(shù)（m2/s）；C為謝才系數(shù)，C1/6，n為河床糙率，R為水力半徑（m）。3.2.2定解條件（1）初始條件：以高水位靜止場(chǎng)作為初始條件，其形式可用下式表示： z(x,y,0)=z0(x,y)u(x,y,0)=u0(x,y) v(x,y,0)=v0(x,y)式中：z0(x,y)為(x,y)處的初始水位；u0(x,y)、v0(x,y)為(x,y)處沿x、y方向的初始流速，其值均為0。（2）邊界條件：上游邊界條件采用流量過(guò)程，根據(jù)13孔泄水閘泄洪運(yùn)行方式設(shè)置每個(gè)泄水孔的流量過(guò)程，下游邊界條件采用水位

31、邊界。固定邊界采用動(dòng)邊界技術(shù)處理。3.2.3模型驗(yàn)證為了驗(yàn)證平面二維水流數(shù)學(xué)模型，采用1：100樞紐整體模型試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為依據(jù)，選取特征斷面的水位和速度兩個(gè)要素進(jìn)行了驗(yàn)證。物理模型和數(shù)學(xué)模型中均采用設(shè)計(jì)院提供的邕江河道地形資料。選擇樞紐下泄流量為2500m3/s和3500m3/s的恒定流驗(yàn)證，泄水閘出流按照樞紐泄水閘運(yùn)行調(diào)度方式設(shè)置，下游水位按照受西津電站回水影響的水位流量關(guān)系控制。計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比見(jiàn)表3-1，各工況條件下水位與模型實(shí)測(cè)水位之間的偏差均在3cm內(nèi)。斷面流速分布計(jì)算與模型實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖3-4圖3-6所示，各工況條件下計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差在10%以內(nèi)。通過(guò)對(duì)比，各恒定流量級(jí)條件

32、下，數(shù)學(xué)模型計(jì)算流態(tài)與實(shí)體模型基本相同，說(shuō)明數(shù)學(xué)模型中相關(guān)參數(shù)合理可靠。表3-1 平面二維水流數(shù)學(xué)模型水位驗(yàn)證位置Q=3500m3/sQ=2500m3/s實(shí)測(cè)水位（m）計(jì)算水位（m）差值（m）實(shí)測(cè)水位（m）計(jì)算水位（m）差值（m）壩后100m處63.9563.940.0163.1463.16-0.02港區(qū)上游邊緣64.1564.130.0263.2663.230.03港區(qū)中部位置64.1764.140.0363.2863.30-0.02港區(qū)下游邊緣64.1064.12-0.0263.2463.240.00遠(yuǎn)期規(guī)劃港區(qū)63.9763.970.0063.1263.110.01圖3-4 壩下500處

33、斷面流速流速分布驗(yàn)證（流量為2500m3/s）圖3-5 壩下1000處斷面流速流速分布驗(yàn)證（流量為2500m3/s）圖3-6 壩下500處斷面流速流速分布驗(yàn)證（流量為3500m3/s）圖3-7 壩下1000處斷面流速流速分布驗(yàn)證（流量為3500m3/s）4. 計(jì)算條件4.1. 計(jì)算范圍結(jié)合研究目的及可利用的地形資料，洪水過(guò)程數(shù)學(xué)模型和平面二維水流數(shù)學(xué)模型的計(jì)算區(qū)域均選取牛灣壩址至其下游14km大東瓜壩址之間的河道區(qū)域，以保證模型上下游邊界不影響南寧港中心城港區(qū)牛灣作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)河道水流條件。圖4-1圖4-3給出了模擬區(qū)域網(wǎng)格布置圖。大東瓜壩址牛灣港作業(yè)區(qū)牛灣壩址圖4-1 模擬區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格布置圖圖

34、4-2 泄水閘泄流條件模擬網(wǎng)格布置圖南寧港中心港牛灣作業(yè)區(qū)（一期工程）牛灣作業(yè)區(qū)（二期工程）牛灣作業(yè)區(qū)（一期工程）圖4-3 牛灣港區(qū)范圍內(nèi)河道模擬網(wǎng)格布置圖4.2. 參數(shù)選定根據(jù)水位驗(yàn)證計(jì)算進(jìn)行模型糙率的率定，確定模型糙率值為0.030。紊動(dòng)粘性系數(shù)取0.005m2/s，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取1/12小時(shí)。4.3. 計(jì)算條件根據(jù)水庫(kù)泄洪調(diào)度方式和4個(gè)典型洪水過(guò)程確定計(jì)算條件，表4-1給出了泄水閘泄洪非恒定水流條件計(jì)算工況，其中各工況洪水過(guò)程的壩址流量見(jiàn)2.2節(jié)，受西津樞紐影響的大東瓜壩址處水位流量關(guān)系見(jiàn)2.1節(jié)。表4-1 泄水閘泄洪非恒定水流條件計(jì)算工況表計(jì)算工況泄水方式洪水過(guò)程時(shí)間（h）計(jì)算工況泄水

35、方式洪水過(guò)程時(shí)間（h）下游邊界條件1固定來(lái)流下泄工況247正常泄洪工況20受西津樞紐影響的大東瓜壩址處水位流量關(guān)系224827324928424102252462411快速泄洪工況815預(yù)泄工況20129162713917281481822為了記錄各工況洪水過(guò)程中非恒定流在牛灣港區(qū)河道水位變幅，計(jì)算時(shí)在港區(qū)范圍內(nèi)布置了16個(gè)斷面記錄水位變化及流速值，記錄位置見(jiàn)圖4-4所示。圖4-4 記錄斷面分布圖5. 計(jì)算成果分析5.1. 固定來(lái)流下泄工況結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算了6種泄水過(guò)程的河道非恒定流水位和流速分布變化過(guò)程，記錄斷面的最大時(shí)水位變幅匯總于表5-1，各工況洪水過(guò)程中，16個(gè)記錄斷面出現(xiàn)最大時(shí)水位變

36、幅的時(shí)刻一致，列于表5-1中。港區(qū)上游段D5、中部D8及下游段D13的水位過(guò)程和流速過(guò)程分別見(jiàn)圖5-1圖5-3和圖5-4圖5-6。此外，計(jì)算了每個(gè)工況洪水過(guò)程中水位時(shí)變幅最大時(shí)段的二維流場(chǎng)，見(jiàn)圖5-7圖5-12。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，固定來(lái)流量為500m3/s的泄流過(guò)程中，0-2各時(shí)段壩址泄流增量為1000m3/s，引起下游港區(qū)水位小時(shí)變幅出現(xiàn)最大值為0.884m；固定來(lái)流量為1500m3/s的泄流過(guò)程中，1-4各時(shí)段壩址泄流增量800-900m3/s，引起下游港區(qū)水位小時(shí)變幅出現(xiàn)最大值為0.9m；固定來(lái)流量為2000m3/s的泄流過(guò)程中，0-3時(shí)段壩址泄流增量為800-850m3/s，引起下游港區(qū)

37、水位小時(shí)變幅出現(xiàn)最大值為0.836m；固定來(lái)流量為2500m3/s的泄流過(guò)程中，0-2時(shí)段壩址泄流增量為800-820m3/s，引起下游港區(qū)水位小時(shí)變幅出現(xiàn)最大值為0.68m；固定來(lái)流量為3000m3/s的泄流過(guò)程中，0-1時(shí)段壩址泄流增量為790m3/s，引起下游港區(qū)水位小時(shí)變幅出現(xiàn)最大值為0.553m；固定來(lái)流量為3500m3/s的泄流過(guò)程中，0-1時(shí)段壩址泄流增量為690m3/s，引起下游港區(qū)水位小時(shí)變幅出現(xiàn)最大值為0.458m。對(duì)于每一個(gè)工況洪水泄洪非恒定過(guò)程中，牛灣港區(qū)小時(shí)水位變幅最大出現(xiàn)在上游段D5處。固定來(lái)流量為500m3/s的泄水過(guò)程中，牛灣港區(qū)上游段D5處水位最高值為64.3

38、8m，最低值為60.63m，D5處水位小時(shí)增量最大值為0.884m（水位由61.88m變成62.77m），而D5處水位小時(shí)減量最大值為0.25m（水位由63.22m變成62.97m）；固定來(lái)流量為1500m3/s的泄水過(guò)程中，牛灣港區(qū)上游段D5處水位最高值為65.29m，最低值為61.79m，D5處水位小時(shí)增量最大值為0.90m（水位由63.69m變成64.6m），而D5處水位小時(shí)減量最大值為0.22m（水位由64.81m變成64.59m）；固定來(lái)流量為2000m3/s的泄水過(guò)程中，牛灣港區(qū)上游段D5處水位最高值為65.2m，最低值為62.33m，D5處水位小時(shí)增量最大值為0.836m（水位由

39、63.45m變成64.29m），而D5處水位小時(shí)減量最大值為0.179m（水位由64.92m64.74m）；固定來(lái)流量為2500m3/s的泄水過(guò)程中，牛灣港區(qū)上游段D5處水位最高值為65.11m，最低值為62.91m，D5處水位小時(shí)增量最大值為0.68m（水位由63.38m變成64.07m），而D5處水位小時(shí)減量最大值為0.123m（水位由64.94m變成64.81m）；固定來(lái)流量為3000m3/s的泄水過(guò)程中，牛灣港區(qū)上游段D5處水位最高值為65.0m，最低值為63.52m，D5處水位小時(shí)增量最大值為0.553m（水位由64.02m變成64.58m），而D5處水位小時(shí)減量最大值為0.087m

40、（水位由64.85m變成64.76m）；固定來(lái)流量為3500m3/s的泄水過(guò)程中，牛灣港區(qū)上游段D5處水位最高值為64.9m，最低值為64.01m，D5處水位小時(shí)增量最大值為0.458m（水位由64.01m變成64.51m），而D5處水位小時(shí)減量最大值為0.041m（水位由64.85m變成64.81）。綜上所述，在恒定來(lái)流量500m3/s，1500 m3/s，2000 m3/s，2500 m3/s，3000 m3/s，3500 m3/s的泄洪過(guò)程中，水位時(shí)變幅均未超過(guò)1m，滿足牛灣港區(qū)水位變幅要求。各工況洪水過(guò)程中，港區(qū)附近航道流態(tài)基本一致，流速分布較為均勻，主流基本沿河道中心線方向，流態(tài)良好

41、。由各工況洪水過(guò)程的小時(shí)水位變幅最大時(shí)刻流圖圖可見(jiàn)，航道內(nèi)流速為0.7m/s-1.60m/s，滿足規(guī)范要求的流速指標(biāo)。表5-1 各工況洪水過(guò)程中水位時(shí)變幅最大值（m）恒定來(lái)流量（m3/s）50015002000250030003500備注發(fā)生時(shí)段1-2-3-4（10-11-12-13-14-15）2-3-4（8-9-10-11）2-3（7-8-9-11）1-2-3（7-8-9）0-1-2（6-7-8-9）0-1（6-7-8-9-10）記錄斷面編號(hào)D10.890(-0.252)0.913(-0.222)0.848(-0.181)0.692(-0.133)0.561(-0.088)0.509(-0

42、.041)D20.888(-0.251)0.91(-0.222)0.845(-0.181)0.689(-0.133)0.559(-0.087)0.497(-0.041)D30.883(-0.25)0.9(-0.22)0.836(-0.179)0.68(-0.132)0.553(-0.087)0.458(-0.041)D40.887(-0.25)0.905(-0.221)0.84(-0.18)0.684(-0.132)0.556(-0.087)0.472(-0.041)D50.884(-0.25)0.9(-0.22)0.836(-0.179)0.68(-0.132)0.553(-0.087)0.

43、458(-0.041)牛灣作業(yè)區(qū)控制范圍D60.882(-0.249)0.896(-0.219)0.832(-0.179)0.676(-0.131)0.55(-0.086)0.444(-0.04)D70.879(-0.248)0.893(-0.219)0.829(-0.178)0.672(-0.131)0.548(-0.086)0.43(-0.04)D80.875(-0.247)0.888(-0.218)0.824(-0.178)0.667(-0.13)0.544(-0.086)0.408(-0.04)D90.878(-0.248)0.89(-0.218)0.826(-0.178)0.669(

44、-0.131)0.546(-0.086)0.415(-0.04)D100.878(-0.248)0.888(-0.218)0.824(-0.177)0.668(-0.13)0.545(-0.086)0.41(-0.04)D110.876(-0.247)0.884(-0.217)0.821(-0.177)0.665(-0.13)0.543(-0.086)0.398(-0.04)D120.878(-0.247)0.885(-0.217)0.822(-0.177)0.666(-0.13)0.544(-0.086)0.402(-0.04)D130.878(-0.247)0.886(-0.217)0.8

45、22(-0.177)0.666(-0.13)0.545(-0.086)0.401(-0.04)D140.881(-0.248)0.888(-0.218)0.824(-0.178)0.669(-0.13)0.548(-0.086)0.404(-0.04)D150.877(-0.247)0.881(-0.216)0.818(-0.177)0.663(-0.129)0.543(-0.085)0.382(-0.04)D160.874(-0.246)0.876(-0.216)0.813(-0.176)0.658(-0.129)0.54(-0.085)0.36(-0.04)注：表中發(fā)生時(shí)段是指該時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)

46、水位變幅較大值；水位變幅正值（負(fù)值）分別代表泄水過(guò)程中的水位增高最大值（水位降低最大值）。圖5-1 D5測(cè)點(diǎn)的水位過(guò)程圖5-2 D8測(cè)點(diǎn)的水位過(guò)程圖5-3 D13測(cè)點(diǎn)的水位過(guò)程圖5-4 D5測(cè)點(diǎn)的流速過(guò)程圖5-5 D8測(cè)點(diǎn)的流速過(guò)程圖5-6 D13測(cè)點(diǎn)的流速過(guò)程圖5-7 固定來(lái)流500m3/s洪水過(guò)程水位變幅最大時(shí)段流場(chǎng)圖圖5-8 固定來(lái)流1500m3/s洪水過(guò)程水位變幅最大時(shí)段流場(chǎng)圖圖5-9 固定來(lái)流2000m3/s洪水過(guò)程水位變幅最大時(shí)段流場(chǎng)圖圖5-10 固定來(lái)流2500m3/s洪水過(guò)程水位變幅最大時(shí)段流場(chǎng)圖圖5-11 固定來(lái)流3000m3/s洪水過(guò)程水位變幅最大時(shí)段流場(chǎng)圖圖5-12 固定

47、來(lái)流3500m3/s洪水過(guò)程水位變幅最大時(shí)段流場(chǎng)圖5.2. 正常泄洪工況結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算了4種泄水過(guò)程的河道非恒定流水位和流速分布變化過(guò)程，記錄斷面的最大時(shí)水位變幅匯總于表5-2，各工況洪水過(guò)程中，16個(gè)記錄斷面出現(xiàn)最大時(shí)水位變幅的時(shí)刻一致，列于表5-2中。港區(qū)上游段D5、中部D8及下游段D13的水位過(guò)程和流速過(guò)程分別見(jiàn)圖5-13圖5-15和圖5-16圖5-18。針對(duì)時(shí)變幅最大時(shí)刻計(jì)算了二維流場(chǎng)，見(jiàn)圖5-19圖5-22。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，1955年泄流過(guò)程中，0-7各時(shí)段壩址泄流增量為200m3/s，引起下游港區(qū)水位小時(shí)變幅出現(xiàn)最大值為0.245m；1994年泄流過(guò)程中，0-3各時(shí)段壩址泄流增量

48、為500m3/s，引起下游港區(qū)水位小時(shí)變幅出現(xiàn)最大值為0.496m；2001年泄流過(guò)程中，0-3時(shí)段壩址泄流增量為300m3/s，引起下游港區(qū)水位小時(shí)變幅出現(xiàn)最大值為0.297m；2008年泄流過(guò)程中，0-3時(shí)段壩址泄流增量為分別為300-500 m3/s，引起下游港區(qū)水位小時(shí)變幅出現(xiàn)最大值為0.404m。對(duì)于每一個(gè)工況洪水泄洪非恒定過(guò)程中，牛灣港區(qū)小時(shí)水位變幅最大出現(xiàn)在上游段D5處。1955年洪水過(guò)程中，牛灣港區(qū)上游段D5處水位最高值為64.78 m，最低值為61.79 m，D5處水位小時(shí)增量最大值為0.245m（水位由63.01m變成63.25m）；1994年洪水過(guò)程中，牛灣港區(qū)上游段D5處水位最高值為64.76 m，最低值為61.79 m，D5處水位小時(shí)增量最大值為0.496m（水位由62.49m變成62.99m）；2001年洪水過(guò)程中，牛灣港區(qū)上游段D5處水位最高值為64.94 m，最低值為61.79 m，D5處水位小時(shí)增量最大值為0.297m（水位由62.24 m變成62.54 m）；2008年洪水過(guò)程中，牛灣港區(qū)上游段D5處水位最高值為64.72 m，最低