[发明专利]多约束条件下水电站坝前河床冲淤变形的计算方法

说明书

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。

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；