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本篇文章由 BC Hydro 水力技術部門的專家工程師 Faizal Yusuf, M.A.Sc., P.Eng. 提供
BC Hydro是一家位於英屬哥倫比亞的公共電力公司，利用FLOW-3D 軟體來研究現有水壩的複雜水力問題，並協助設計和優化提議的設施。土木和環境客戶現在使用 FLOW-3D HYDRO 來做這類型的模擬和分析。本文介紹了三個案例研究，說明FLOW-3D HYDRO 軟體可以模擬不同類型溢洪道，以及實際水壩或水力模型的測試數據對數值模型校準的重要性。
W. A. C. Bennett 水壩
溢流道的衝擊波
在1960年代，W. A. C. Bennett水壩的物理水力模型與實際水壩的溢洪道幾何形狀存在差異，因此很難從物理模型測試結果中得出關於衝擊波形成和洩洪道容量的可靠結論。混凝土溢流道中的衝擊波強度受到入口處的三個射流閘門下游的溢洪道寬度減少44%以及射流閘門的相對開啟度影響。這些衝擊波導致局部水位上升，在過去的運作情況下，曾發生過溢洪道壁的溢流。
2012年進行了溢洪測試，排水量高達2,865立方公尺/秒，為了校準FLOW-3D HYDRO模型，進行了水面剖面調查、溢洪道水面的3D雷射掃描和流場模式的錄影。數值模型和實際觀察結果相當一致，尤其是溢洪道牆壁上第一個衝擊波的位置和高度（見圖1）。
經校準的FLOW-3D HYDRO模型證實，只要按照現有的操作指令開啟所有三個射流閘門，並確保外側閘門開啟程度超過內側閘門，設計洪水可以安全地通過，而不會溢過溢洪道壁。
CFD模擬可以深入瞭解溢洪道的混凝土的損壞情況。從FLOW-3D HYDRO模擬結果計算的汽蝕指數與USBR的實際數據進行比較，結果與溢洪道的歷史表現一致。數值分析結果支持了現場檢查的結論，即溢洪道混凝土損壞可能並非由汽蝕引起。
Strathcona 大壩
惡劣接近條件和等級曲線的不確定性
FLOW-3D HYDRO用於研究Strathcona水壩溢洪道的惡劣接近條件和等級曲線的不確定性，該溢洪道位於水壩右側的橋墩上，裝有三個垂直提升閘門。Strathcona溢洪道的等級曲線是根據經驗調整和有限的物理水力模型測試所獲得，其中不包括橋墩或橋台的幾何形狀。
根據1982年的實際現場測量結果，我們進行了數值模型測試和校準。當時，所有三個閘門完全打開，造成左側水道上游水位出現大凹陷(圖2所示)。水流往左側水道引流時，因為平行於水壩軸線流動，而且流過土石壩上游斜坡附近的混凝土擋土牆，使水流扭曲。水流進入另外兩個水道時則順暢得多。數值模型模擬出來的水流型態跟實際狀況非常接近，而閘門部分的模擬水位與1982年現場測量值的誤差在0.1公尺以內。
在所有閘門全開的情況下，經過校準的CFD模型在水庫正常操作範圍內產生的排水量與溢洪道額定值曲線的誤差在 5% 以內。然而，當水庫水位較高時，模擬排水量與額定值曲線之間的差異超過10%，因為物理模型測試採用簡化幾何形狀和經驗修正，無法完全反映複雜的引水流量模式。FLOW-3D HYDRO 模擬進一步提供了溢洪道額定曲線在各單獨水閘口、閘門操控狀況，以及孔口流與自由水面流換過程的評估曲線準確度。
John Hart 大壩
溢洪道提案的優化
John Hart混凝土水壩將進行改造，將現有的門控溢洪道和目前正在興建的低位排水結構之間增設一個新的自由壩頂溢洪道。通過採用FLOW-3D HYDRO的系統優化流程，大幅改善了溢洪道的設計方案。
自由壩頂溢洪道的初步設計是根據水利工程設計規範進行的。水泥混凝土防護牆用於保護壩腳的岩石。新的右側導流護牆將引導水流從新溢洪道流向尾水池，並保護低位出口結構不受溢洪道排水的影響。
新溢洪道的初始設計和優化設計的FLOW-3D HYDRO 模擬結果如圖4所示。CFD分析結果顯示，排水量增加了10%，溢洪道坡頂上方的路面受水衝擊明顯減少，水流模式改善，建議的右護牆沿線水位最多降低了5公尺。物理水力模型測試將用於確認設計方案。
結論
BC Hydro長期以來使用FLOW-3D HYDRO 軟體來研究各種溢洪道和輸水結構的複雜水力問題，大幅提升對水流模式和效能的了解。計畫案可行時，都會盡量搭配現場實際狀況資料及可信賴的實體水力模型測試，以提高數值模型結果的可靠性。。