大型輸水渡槽水流超常波動(dòng)成因分析與對(duì)策

王才歡，王 偉，侯冬梅，王智欣，田豐源

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010；2.南水北調(diào)中線(xiàn)干線(xiàn)建設(shè)管理局 渠首分局，河南 南陽(yáng) 473000)

1 工程背景

十二里河渡槽位于河南省南陽(yáng)市境內(nèi)，是南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠穿越十二里河的大型交叉輸水建筑物。十二里河渡槽的設(shè)計(jì)輸水流量為340 m3/s，加大流量為410 m3/s。渡槽采用雙槽布置型式，從進(jìn)口到出口總長(zhǎng)度為141.0 m；進(jìn)、出口中隔墩厚度5.0 m，墩頭和墩尾均為半圓形；渡槽單槽凈寬為13.0 m，設(shè)計(jì)水深為6.35 m，加大水深為7.05 m；渡槽上、下游采用漸變段與梯形總干渠連接，其漸變段長(zhǎng)度分別為40.0 m和60.0 m；上、下游梯形總干渠底寬均為22.0 m，其渠道邊坡比均為1∶2，渠道縱向底坡為1/25 000。渡槽布置如圖1所示。

圖1 十二里河渡槽布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the Shierlihe aqueduct

十二里河渡槽在進(jìn)口段布置兩扇弧形工作閘門(mén)，在總干渠輸送中小流量時(shí)，按照閘前常水位(141.7～141.8 m)對(duì)雙孔閘門(mén)實(shí)施均勻控泄運(yùn)行；在輸送大流量(Q>280 m3/s)時(shí)，如閘前水位超過(guò)設(shè)定的常水位，則兩孔閘門(mén)敞泄運(yùn)行。

2018年5—6月，南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠首次進(jìn)行大流量(最大流量接近設(shè)計(jì)流量)輸水，在十二里河渡槽通過(guò)流量280～320 m3/s時(shí)，其雙孔閘門(mén)均敞泄運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，渡槽及總干渠內(nèi)均出現(xiàn)了超常的水面大波動(dòng)現(xiàn)象，如圖2所示。渡槽內(nèi)水面波動(dòng)最為嚴(yán)重，其最大波幅達(dá)1.0 m，波峰沖擊渡槽頂部拉桿橫梁；渡槽進(jìn)口中隔墩前水流時(shí)而流向左槽、時(shí)而流向右槽，人站在中隔墩頭部有周期性振動(dòng)體感；上述狀態(tài)長(zhǎng)期運(yùn)行將對(duì)渡槽產(chǎn)生疲勞性損傷，在加大流量運(yùn)行時(shí)還存在渡槽頂部橫梁阻水甚至水流漫頂?shù)目赡?。同時(shí)，在渡槽上、下游總干渠一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，也產(chǎn)生了較大的水面波動(dòng)，渠道岸邊水域的波動(dòng)尤為明顯，這對(duì)總干渠的邊坡穩(wěn)定非常不利。

圖2 十二里河渡槽及渠道原型水流波動(dòng)情況Fig.2 Abnormal water waves in the Shierlihe aqueduct and upstream canal

在此之前，十二里河渡槽最大輸水流量未超過(guò)280 m3/s，渡槽輸水時(shí)均采用雙孔閘門(mén)均勻控泄方式，以保持閘前常水位狀態(tài)；渡槽輸水運(yùn)行近4 a，從未出現(xiàn)過(guò)這樣的異常波動(dòng)現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，渡槽出口中墩以下水域不斷有獨(dú)立渦漩出現(xiàn)，沿水流方向基本呈左右兩列渦串分布，左列渦串中的渦漩為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右列渦串中的渦漩為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；根據(jù)分析，這就是流體力學(xué)中的“卡門(mén)渦街”現(xiàn)象[1-2]。

“卡門(mén)渦街”是德國(guó)科學(xué)家馮·卡門(mén)(Theodore von Karman )1911年根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果揭示的一種流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律；當(dāng)在對(duì)稱(chēng)的水槽中心放置一個(gè)圓柱體時(shí)，水槽中平緩流動(dòng)的水流居然發(fā)生了劇烈的擺動(dòng)；經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，揭示了一定水流條件下的定常來(lái)流繞過(guò)某物體時(shí)，物體兩側(cè)會(huì)周期性脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列渦串，且組成渦串的單個(gè)渦漩之間具有一定的脫落頻率，其渦漩分布就像街道兩側(cè)的路燈一般，由此被冠名為“卡門(mén)渦街”。利用卡門(mén)渦街的力學(xué)特性，揭示了之前很多橋梁被風(fēng)吹毀的空氣動(dòng)力學(xué)成因；如1940年建成的美國(guó)塔科瑪海峽大橋(Tacoma Narrow Bridge)，是當(dāng)時(shí)世界第三大橋，在建成4個(gè)月后，在一場(chǎng)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)風(fēng)速的氣象過(guò)程中，大橋發(fā)生了劇烈的扭曲振動(dòng)、橋面鋼梁折斷，進(jìn)而橋梁塌毀，而卡門(mén)渦街理論則解釋了這個(gè)結(jié)果的必然性[3]。

卡門(mén)渦街不僅出現(xiàn)在圓柱體后面，在其他形狀的物體后面也可以形成，例如高樓大廈、電視塔、煙囪等建筑物受風(fēng)作用而引起的振動(dòng)，自然界中的麥浪、樹(shù)葉擺動(dòng)，以及工業(yè)工程中紙張印刷出現(xiàn)的顫振現(xiàn)象等，都與卡門(mén)渦街相關(guān)[3-6]。在涉水工程中，有學(xué)者對(duì)河流中的橋墩以及海港碼頭立柱后產(chǎn)生的卡門(mén)渦街進(jìn)行了研究，但關(guān)注的對(duì)象是卡門(mén)渦街對(duì)墩(柱)體自身受力特性的影響以及對(duì)墩體附近局部地形的沖刷作用，此時(shí)卡門(mén)渦街發(fā)生體周?chē)乃蛳鄬?duì)較大；而卡門(mén)渦街發(fā)生體在有限水域中的水流特性及危害性研究目前還未見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)。南水北調(diào)中線(xiàn)工程十二里河渡槽在輸水過(guò)程中出現(xiàn)的超常大波動(dòng)現(xiàn)象，是卡門(mén)渦街在有限水域中引發(fā)的新問(wèn)題。本文根據(jù)水力學(xué)模型試驗(yàn)研究，分析并揭示了十二里河渡槽產(chǎn)生超常大波動(dòng)的成因，提出了消減渡槽大波動(dòng)的工程措施及調(diào)度運(yùn)行方案。

2 研究方法

針對(duì)十二里河渡槽發(fā)生的超常大波動(dòng)現(xiàn)象，擬采用水力學(xué)模型試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)研究。首先要保證在模型上能夠復(fù)演原型水流的波動(dòng)現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上再分析渡槽不同運(yùn)行條件下的水流波動(dòng)特性及變化規(guī)律，揭示水流產(chǎn)生大波動(dòng)的成因，進(jìn)而提出消減水流大波浪的工程措施。

2.1 模型比尺選擇

十二里河渡槽現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)超常水流波動(dòng)的條件是輸送大流量(Q≥280 m3/s)和閘門(mén)敞泄運(yùn)行。鑒于本項(xiàng)目研究主要關(guān)注水流的波浪問(wèn)題，根據(jù)相關(guān)理論研究及試驗(yàn)規(guī)程的要求，在滿(mǎn)足重力相似準(zhǔn)則的前提下，還須滿(mǎn)足模型水流表面流速u(mài)m≥23 cm/s、模型最小水深hm≥3.0 cm的波浪相似要求。當(dāng)十二里河渡槽模型比尺為1∶36時(shí)，上述波浪相似要求均能滿(mǎn)足。模型模擬范圍包括：十二里河渡槽長(zhǎng)度141 m、上下游漸變段長(zhǎng)度共計(jì)100 m、上游梯形總干渠長(zhǎng)度700 m、下游梯形總干渠長(zhǎng)度400 m，共計(jì)總長(zhǎng)度1 341 m；上述模擬范圍內(nèi)的渡槽及上下游總干渠呈一條直線(xiàn)布置，理論上各斷面水流均勻?qū)ΨQ(chēng)分布。

2.2 模型波浪復(fù)演試驗(yàn)

選取十二里河渡槽在2018年原型輸水過(guò)程中出現(xiàn)的最大輸水流量Q=320 m3/s進(jìn)行模型水流波動(dòng)復(fù)演試驗(yàn)；同時(shí)，通過(guò)在模型總干渠一側(cè)設(shè)置丁壩以形成類(lèi)似于彎道環(huán)流的方法，探索了渡槽上游總干渠不同位置的彎道環(huán)流對(duì)渡槽波浪特性可能產(chǎn)生的影響；具體試驗(yàn)成果見(jiàn)表1，表1中所注樁號(hào)以渡槽進(jìn)口墩頭為0+0 m。

表1 上游渠道來(lái)流均勻性對(duì)渡槽最大波幅的影響Table 1 Influence of upstream flow uniformity on maximum wave amplitude in the aqueduct

在相當(dāng)于原型輸水流量Q=320 m3/s、渡槽雙孔閘門(mén)敞泄運(yùn)行時(shí)，模型渡槽及渠道內(nèi)均出現(xiàn)了與原型類(lèi)似的水面大波動(dòng)現(xiàn)象，渡槽內(nèi)的波動(dòng)幅值最大；且模型試驗(yàn)條件下的最大波高值與原型實(shí)際運(yùn)行時(shí)的波高值吻合較好，說(shuō)明模型比尺及模擬范圍的選擇是合適的，可以在上述模型上進(jìn)行渡槽及渠道的水流特性及波浪特性試驗(yàn)研究。

另外，模型上游渠道不同位置的彎道環(huán)流對(duì)波浪的影響研究表明：環(huán)流位置距離渡槽進(jìn)口越近，左右2個(gè)單槽的進(jìn)流條件越不均勻，渡槽內(nèi)的波浪幅值反而越小。因此，從模型上游總干渠不同位置的彎道環(huán)流對(duì)渡槽內(nèi)波浪幅值的影響來(lái)看，渡槽上游600 m以外渠道產(chǎn)生的彎道環(huán)流對(duì)渡槽的波浪特性基本沒(méi)有影響,從而排除了十二里河渡槽上游總干渠1.1 km處的彎道可能是引發(fā)水流超常波動(dòng)的成因之說(shuō)。

3 渡槽內(nèi)水流大波動(dòng)成因分析

3.1 渡槽閘門(mén)全開(kāi)敞泄運(yùn)行水流波動(dòng)特性

在十二里河渡槽水工模型上，在雙孔閘門(mén)全開(kāi)敞泄運(yùn)行條件下，對(duì)輸水流量280、320、410 m3/s時(shí)的波浪幅值進(jìn)行了觀(guān)測(cè)，試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

從表2的試驗(yàn)成果可以看出：渡槽內(nèi)水面波幅最大，在上述3級(jí)輸水流量條件下，最大波幅分別為0.94、0.83、1.04 m；渡槽上、下游渠道內(nèi)波動(dòng)幅值相對(duì)較小，其最大波幅未超過(guò)0.40 m，且下游渠道的波幅比上游渠道的要小。

表2 渡槽及渠道波浪最大幅值試驗(yàn)成果Table 2 Maximum wave amplitudes in the aqueduct and upstream canal

關(guān)于渡槽輸水流量280 m3/s時(shí)波幅比輸水320 m3/s時(shí)偏大這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)分析可知其與渡槽下游渠道的流量及對(duì)應(yīng)的水深相關(guān)；當(dāng)十二里河渡槽通過(guò)320 m3/s流量及以上時(shí)，其下游白河節(jié)制閘采用閘門(mén)敞泄運(yùn)行方式，對(duì)十二里河渡槽下游渠道水深的頂托較?。欢锖佣刹弁ㄟ^(guò)280 m3/s流量時(shí)，下游白河節(jié)制閘采用閘門(mén)控泄方式，對(duì)十二里河渡槽下游渠道水深的頂托相對(duì)較大，因此渡槽內(nèi)波浪幅值相應(yīng)增大(詳見(jiàn)本文3.3節(jié))。

從試驗(yàn)流態(tài)來(lái)看：在模型渡槽出口明渠水流中，不斷有獨(dú)立的渦漩生成，水面出現(xiàn)左右搖擺的波動(dòng)現(xiàn)象。其水面波向上、下游2個(gè)方向傳播時(shí)，渡槽內(nèi)的波動(dòng)明顯大于下游渠道內(nèi)的波動(dòng)。渡槽左右兩槽內(nèi)的水面波動(dòng)過(guò)程具有相同的頻率，在相位上相差半個(gè)周期；即：一個(gè)槽內(nèi)出現(xiàn)波峰時(shí)，另一個(gè)槽同一樁號(hào)位置出現(xiàn)波谷，如圖3所示。渡槽進(jìn)口左右兩槽前水面交替升降，中隔墩前水流一會(huì)兒流向左槽，一會(huì)兒流向右槽，其墩前水流流向的變動(dòng)周期與渡槽內(nèi)水流的波動(dòng)周期相同，約為14 s；與原型水流的波動(dòng)周期基本一致。

圖3 左右兩槽同一樁號(hào)位置水面波動(dòng)過(guò)程線(xiàn)Fig.3 Time history of wave amplitude at the same cross-section of the left and right ducts

3.2 渡槽閘門(mén)控泄運(yùn)行水流波動(dòng)特性

針對(duì)原型十二里河渡槽在中小流量、雙孔閘門(mén)均勻控泄運(yùn)行時(shí)波浪較小這一特性,在模型渡槽輸送較大流量條件下，進(jìn)行了雙孔閘門(mén)均勻控泄和1孔閘門(mén)全開(kāi)敞泄、1孔閘門(mén)局開(kāi)控泄的試驗(yàn)，以探索水流波動(dòng)幅值與閘門(mén)開(kāi)啟方式的關(guān)系。各試驗(yàn)工況下的波幅試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。

表3 閘門(mén)控泄運(yùn)行時(shí)波浪最大幅值試驗(yàn)成果Table 3 Maximum wave amplitude when the gate discharge was controlled

試驗(yàn)結(jié)果表明：在渡槽雙孔閘門(mén)均勻控泄或者1孔閘門(mén)敞泄、1孔閘門(mén)控泄條件下，渡槽及渠道內(nèi)的水面波幅都明顯減小。如流量Q=280 m3/s條件下，在雙孔閘門(mén)敞泄時(shí)，渡槽內(nèi)最大波幅為0.94 m，而雙孔閘門(mén)均勻控泄(e=3.7 m)時(shí)，渡槽內(nèi)最大波幅僅為0.25 m；在流量Q=320 m3/s條件下，雙孔閘門(mén)敞泄時(shí)，渡槽內(nèi)最大波幅為0.83 m，而1孔閘門(mén)敞泄、1孔閘門(mén)控泄(e=4.7 m)時(shí)，渡槽內(nèi)最大波幅降為0.22 m。同時(shí)模型試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)：在雙孔閘門(mén)均勻控泄或者1孔閘門(mén)敞泄、1孔閘門(mén)控泄時(shí)，渡槽進(jìn)口前的水流都比較平穩(wěn)，水面波動(dòng)也很小。初步分析認(rèn)為，渡槽內(nèi)的水流波動(dòng)幅值與渡槽進(jìn)口前的水流平穩(wěn)程度相關(guān)。

3.3 渠道水流特性對(duì)渡槽波浪的影響

十二里河渡槽及上下游渠道在正常輸水條件下均為緩流(水流弗勞德數(shù)Fr<0.4)，這是渡槽及渠道內(nèi)水面波動(dòng)逆流傳播的前提。針對(duì)十二里河渡槽雙孔閘門(mén)敞泄運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的超常大波動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)改變各級(jí)輸水流量的渠道水深，在模型上探索了水流波動(dòng)特性的變化規(guī)律，試驗(yàn)成果見(jiàn)表4。

從表4來(lái)看：在同一輸水流量條件下，渡槽下游渠道水深越大，渡槽內(nèi)的波幅就越大，渠道水深越小，水面波幅也越小。通過(guò)與渡槽出口水流弗勞德數(shù)Fr建立關(guān)系發(fā)現(xiàn)，渡槽內(nèi)最大波幅與渡槽出口水流弗勞德數(shù)呈反比關(guān)系；當(dāng)渡槽出口水流弗勞德數(shù)Fr≥0.38時(shí)，各級(jí)輸水流量條件下渡槽及渠道內(nèi)的最大波幅均<0.15 m。

表4 下游渠道水深與渡槽波浪特征參數(shù)關(guān)系Table 4 Water depth in the downstream canal and corre- sponding key parameters of water wave in the aqueduct

3.4 渡槽內(nèi)產(chǎn)生大波動(dòng)的成因分析

從前述模型試驗(yàn)流態(tài)來(lái)看：在各級(jí)輸水流量條件下，渡槽出口墩尾水域均有周期性脫落的渦漩存在，并且沿流向呈兩列渦串分布，說(shuō)明水流中已經(jīng)出現(xiàn)了“卡門(mén)渦街”現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 渡槽出口中隔墩尾部出現(xiàn)卡門(mén)渦街流態(tài)Fig.4 Karman vortex street near the separating pier at the exit of the aqueduct

根據(jù)馮·卡門(mén)的研究，如以斯特勞哈爾數(shù)Sr作為表征尾渦脫落頻率的一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，對(duì)于圓柱繞流，渦漩的每個(gè)單渦發(fā)生頻率f與圓柱繞流流速v成正比，與圓柱體直徑d成反比，即f=Sr(v/d)，而斯特勞哈爾數(shù)Sr主要與水流雷諾數(shù)有關(guān)[1]。當(dāng)雷諾數(shù)Re=3×102～3×105時(shí)，斯特勞哈爾數(shù)Sr近似于常數(shù)0.21，流體中就會(huì)出現(xiàn)有規(guī)則的渦街；當(dāng)雷諾數(shù)Re= 3×105～3×106時(shí)，有規(guī)則的渦街便不再存在；當(dāng)雷諾數(shù)Re>3×106時(shí)，卡門(mén)渦街又會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)，這時(shí)斯特勞哈爾數(shù)Sr約為0.27。當(dāng)出現(xiàn)卡門(mén)渦街時(shí)，流體會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生有固定周期的交變橫向作用力[7-10]，如果這個(gè)力的頻率與物體的固有頻率相近，就會(huì)引起共振，甚至使物體損壞。

在十二里河渡槽各級(jí)輸水流量條件下，渡槽出口墩尾處的水流雷諾數(shù)Re>4×106，因此，墩尾明渠中有規(guī)則的卡門(mén)渦街必然存在。由于卡門(mén)渦街對(duì)左右兩側(cè)水體產(chǎn)生交變的橫向作用力，因此左右兩側(cè)水面就會(huì)出現(xiàn)交替升降現(xiàn)象，這就是十二里河渡槽產(chǎn)生水面波動(dòng)的根源。

當(dāng)墩尾水流中卡門(mén)渦街產(chǎn)生的波通過(guò)渡槽向上游傳遞時(shí)，渡槽左右兩單槽的波動(dòng)頻率(或周期)是相同的。由于卡門(mén)渦街的固有特性，左右兩單槽在渡槽出口的波動(dòng)過(guò)程正好相差半個(gè)周期；當(dāng)波浪傳遞至渡槽進(jìn)口時(shí)，一槽進(jìn)口水面處于波峰區(qū)，而另一槽進(jìn)口水面則處于波谷區(qū)，這樣就打破了渡槽進(jìn)口前左右兩槽進(jìn)流的均衡性，進(jìn)口前水面存在橫向交替升降現(xiàn)象，其水流交替升降的周期與渡槽內(nèi)的水流波動(dòng)周期相同。

在模型試驗(yàn)過(guò)程中，嘗試著在渡槽出口墩尾增加一定長(zhǎng)度的隔流板，由于隔流板厚度明顯小于原中墩厚度，在墩尾水流中卡門(mén)渦街消失的同時(shí)，渡槽及渠道內(nèi)的波幅也顯著減小，說(shuō)明渡槽出口卡門(mén)渦街是引發(fā)水流大波動(dòng)的策源地。

一個(gè)有趣的水力現(xiàn)象是：在流量280 m3/s條件下，雙孔閘門(mén)敞泄運(yùn)行時(shí)，渡槽內(nèi)最大波幅是0.94 m；而將雙孔閘門(mén)改為均勻控泄(閘門(mén)開(kāi)啟高度e=3.7 m)時(shí)，雖然渡槽出口段及下游渠道的水流條件沒(méi)有改變，即渡槽出口卡門(mén)渦街的形成條件沒(méi)有發(fā)生變化，但渡槽內(nèi)最大波幅卻減小至0.25 m。初步分析認(rèn)為，當(dāng)雙孔閘門(mén)控泄運(yùn)行時(shí)，渡槽出口卡門(mén)渦街所產(chǎn)生的波，在向渡槽進(jìn)口傳遞時(shí)被閘門(mén)阻隔，渡槽進(jìn)口前沒(méi)有出現(xiàn)水面橫向交替升降現(xiàn)象，即渡槽內(nèi)的水流波動(dòng)缺少了進(jìn)口橫向交變水流的激勵(lì)作用。

另一個(gè)有趣的水力現(xiàn)象是：在流量320 m3/s條件下，雙孔閘門(mén)敞泄運(yùn)行時(shí)，渡槽內(nèi)最大波幅為0.83 m；當(dāng)1孔閘門(mén)敞泄、1孔閘門(mén)控泄(閘門(mén)開(kāi)啟高度e=4.7 m)時(shí)，渡槽內(nèi)最大波幅也可減小至0.22 m，此時(shí)兩槽的流量比約為1.0∶0.9。分析認(rèn)為，上述閘門(mén)運(yùn)行方式的改變導(dǎo)致渡槽進(jìn)口前左右兩槽的進(jìn)流量失去了時(shí)均平衡，兩槽內(nèi)的流量不再出現(xiàn)周期性交替變化；也再一次論證了渡槽進(jìn)口前流量的周期性交替變化對(duì)渡槽內(nèi)波浪具有激勵(lì)作用。

綜合上述分析認(rèn)為：十二河渡槽出口水流的卡門(mén)渦街是渡槽產(chǎn)生大波動(dòng)的根源，而渡槽進(jìn)口前左右兩槽進(jìn)流量的周期性交替變化則是渡槽內(nèi)大波動(dòng)的激勵(lì)條件，兩者相互影響，彼此促進(jìn)，即渡槽出口卡門(mén)渦街與渡槽進(jìn)口前左右兩槽水流的周期性交替變化是一個(gè)相互激勵(lì)的過(guò)程，最終導(dǎo)致渡槽內(nèi)水流波動(dòng)持續(xù)增大，并達(dá)到相應(yīng)輸水流量的波幅極值。

4 消減渡槽波浪的工程措施及方案

根據(jù)上述關(guān)于渡槽內(nèi)產(chǎn)生超常大波動(dòng)的成因分析，擬從2個(gè)方面對(duì)減小水面波幅進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。首先，消除渡槽出口墩尾水流中的卡門(mén)渦街或者減輕其強(qiáng)度；其次，改變渡槽輸水運(yùn)行方式，避免渡槽進(jìn)口前水流產(chǎn)生周期性的橫向交替變化。

4.1 消減渡槽出口渦漩強(qiáng)度

十二里河渡槽中隔墩厚度B0=5.0 m，墩頭墩尾均為半圓形。為方便改建工程措施的實(shí)施，同時(shí)又不增加本渠段的水頭損失，考慮在渡槽出口中隔墩尾部布置窄尾墩，如圖5所示，以消除墩尾水流中可能出現(xiàn)的卡門(mén)渦街。通過(guò)對(duì)窄尾墩不同墩長(zhǎng)和尾墩厚度的對(duì)比試驗(yàn)，墩尾水域中的渦漩強(qiáng)度逐漸減弱，渡槽內(nèi)的波浪幅值隨之顯著減小。模型各試驗(yàn)方案的波浪幅值成果見(jiàn)表5。

圖5 渡槽出口中墩尾部加窄尾墩示意圖Fig.5 Schematic diagram of additional narrowing pier attached to the original separating pier at the exit of the aqueduct

表5 渡槽出口中隔墩不同方案波浪試驗(yàn)成果Table 5 Wave amplitudes corresponding to different schemes of separating pier at the exit of the aqueduct

研究結(jié)果表明：在十二里河渡槽設(shè)計(jì)運(yùn)行條件下，在渡槽出口墩尾增加一段窄尾墩，當(dāng)窄尾墩長(zhǎng)度L≥6.0 m、窄尾厚度b≤1.0 m時(shí)，渡槽內(nèi)波浪幅值均<0.15 m。各優(yōu)選方案在大幅降低波浪幅值的同時(shí)，其渡槽段的水頭損失還稍有減小，渡槽上游渠道水位下降1～2 cm。試驗(yàn)研究中還發(fā)現(xiàn)，在窄尾墩長(zhǎng)度L≥1.2B0、窄尾墩的尾部厚度b≤0.2B0前提下，窄尾墩的首部厚度B在b～B0之間任意選取時(shí)，其對(duì)渡槽內(nèi)的最大波幅基本沒(méi)有影響，工程改建時(shí)可根據(jù)構(gòu)造要求選取。圖6為擬實(shí)施方案墩尾水域中的流態(tài)，水流中的“卡門(mén)渦街”現(xiàn)象基本看不見(jiàn)了。

圖6 擬建窄尾墩方案墩尾水域流態(tài)Fig.6 Flow pattern near the tail of the proposed narrow separating pier

4.2 改變渡槽輸水運(yùn)行方式

要減小十二里河渡槽的波浪幅值，還可以通過(guò)穩(wěn)定渡槽進(jìn)口水流、阻止左右兩槽進(jìn)口水流出現(xiàn)周期性交替變化來(lái)實(shí)現(xiàn)；具體方案有雙孔閘門(mén)均勻控泄或者1孔閘門(mén)敞泄、1孔閘門(mén)控泄運(yùn)行方式。鑒于雙孔閘門(mén)均勻控泄運(yùn)行方式對(duì)渡槽輸水能力有一定影響，本文提出了1孔閘門(mén)敞泄、1孔閘門(mén)控泄的調(diào)度運(yùn)行方式，以使渡槽內(nèi)的波動(dòng)幅值控制在安全范圍內(nèi)，并兼顧渡槽總體輸水能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。十二里河渡槽各級(jí)輸水流量、不同閘門(mén)調(diào)度運(yùn)行方式的波浪試驗(yàn)成果見(jiàn)表6。

表6 閘門(mén)不同開(kāi)啟方式的波浪試驗(yàn)成果Table 6 Test results of waves under different gate operation conditions

研究成果表明：在十二里河渡槽各級(jí)輸水流量條件下，采用1孔閘門(mén)敞泄、1孔閘門(mén)控泄的運(yùn)行方式，可以改善渡槽進(jìn)口水流的穩(wěn)定性，左右兩槽的進(jìn)流條件不再出現(xiàn)周期性交替變化，渡槽內(nèi)波浪幅值明顯減?。辉谳斔髁恳欢ǖ那疤嵯?，控泄運(yùn)行的閘門(mén)底緣入水深度越深，渡槽進(jìn)口的水流就越平穩(wěn)，渡槽內(nèi)的波浪幅值也越小。在十二里河渡槽可能通過(guò)的各級(jí)大流量條件下，1孔閘門(mén)全開(kāi)敞泄、另1孔閘門(mén)開(kāi)啟高度e=4.6～5.0 m時(shí)，渡槽內(nèi)的波浪幅值均可控制在0.20 m以?xún)?nèi)，如圖7所示；與雙孔閘門(mén)全開(kāi)時(shí)相比，渡槽上游渠道水位升高不超過(guò)0.10 m，對(duì)渡槽的整體輸水能力影響較小。

圖7 渡槽最大波幅與閘門(mén)開(kāi)啟高度關(guān)系(1孔敞泄、1孔控泄)Fig.7 Correlation between gate opening and maximum wave amplitude in the aqueduct (one gate fully opened, the other partially opened)

2019年8—10月，南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠要求十二里河渡槽通過(guò)設(shè)計(jì)及以上的輸水流量。由于窄尾墩方案暫時(shí)還未實(shí)施，為保障總干渠的輸水安全，現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)采用了本文推薦的閘門(mén)調(diào)度運(yùn)行方案，結(jié)果渡槽及渠道內(nèi)的水流大波動(dòng)均得到了有效控制，工程運(yùn)行良好，解決了制約總干渠輸水能力的“卡脖子”難題。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)，復(fù)演了南水北調(diào)中線(xiàn)工程十二河渡槽大流量輸水時(shí)的超常大波動(dòng)現(xiàn)象。分析揭示了渡槽發(fā)生超常大波動(dòng)的水力成因：渡槽出口“卡門(mén)渦街”是水流產(chǎn)生大波動(dòng)的根源；渡槽進(jìn)口前左右兩槽進(jìn)流發(fā)生周期性交替變化，是水流產(chǎn)生大波動(dòng)的激勵(lì)條件；兩者相互影響，彼此促進(jìn)，最終使渡槽內(nèi)水流波幅達(dá)到相應(yīng)流量的極值。

(2)通過(guò)研究提出的在渡槽出口墩尾增加消減“卡門(mén)渦街”的窄尾墩方案，可使十二里河渡槽水流波動(dòng)幅值顯著減小，各級(jí)輸水流量的最大波幅可由1.0 m左右降至0.2 m以?xún)?nèi)，渡槽輸水能力還略有提升。

(3)研究提出的將1孔閘門(mén)全開(kāi)敞泄、另1孔閘門(mén)局開(kāi)控泄的運(yùn)行方式，能阻止渡槽進(jìn)口前左右兩槽進(jìn)流發(fā)生周期性交替變化，各級(jí)輸水流量的波幅均可控制在0.2 m以?xún)?nèi)，且對(duì)雙槽式渡槽整體輸水能力影響較小。該調(diào)度運(yùn)行方案已經(jīng)在原型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急使用，實(shí)施效果良好。