水利樞紐排水工程中砂礫石層導(dǎo)流技術(shù)的設(shè)計(jì)研究

張科亮

(臨沂市河?xùn)|區(qū)水務(wù)局，山東 臨沂 276000)

0 引 言

水利樞紐排水工程既可以有效地防洪，還可以提高水資源的利用率。水利樞紐排水工程的施工周期和施工質(zhì)量受人為因素、環(huán)境因素、技術(shù)因素等多種因素的影響，其中導(dǎo)流技術(shù)就是水利樞紐排水工程中最重要的組成部分，成功的導(dǎo)流技術(shù)施工就要把可能造成影響的因素控制在合理的范圍內(nèi)，并且還要與其他相關(guān)施工技術(shù)相結(jié)合使用。整個(gè)水利樞紐排水工程的施工周期和施工質(zhì)量等都受導(dǎo)流技術(shù)施工的影響。如果導(dǎo)流技術(shù)施工方案不合理，那么整個(gè)工程的可實(shí)施性和成本等方面都會(huì)受到巨大影響，甚至造成無法挽回的局面。可以說，水利樞紐排水工程的成功關(guān)鍵就是導(dǎo)流技術(shù)。

為此，制定合理的砂礫石層導(dǎo)流技術(shù)施工方案，可以讓整個(gè)水利樞紐排水工程事半功倍。沙礫石層是排水工程中的難點(diǎn)，必須借助導(dǎo)流技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)排水工程的順利實(shí)施?；谏鲜龇治觯疚脑O(shè)計(jì)一個(gè)水利樞紐排水工程砂礫石層導(dǎo)流技術(shù)方案。

1 工程條件

1.1 概 況

目前的水利樞紐排水導(dǎo)流技術(shù)工程大都在河流干流進(jìn)行，工程的主要任務(wù)就是幫助航運(yùn)、改善目前的水環(huán)境，以發(fā)電和反調(diào)為基礎(chǔ)來提高灌溉面積[1]、供水條件和水資源配置。此次研究以山東省臨沂市某水利樞紐及城市供水工程為例，該工程的總體布局(按照從左到右的順序)依次為左岸泥土水壩(包括連接段)、供電廠房、水庫、38孔放水門拴、水庫、船閘、船閘門庫、右岸泥土水壩(包括連接段)，并且要在廠房左側(cè)給二線船閘留出一個(gè)位置，方便后期建造，壩頂全長要超過河床最長寬度，泄水閘要安置在河床的主河道上，軟地基上建閘，一般都采用等底寬頂堰型，堰頂高程和單孔凈寬度要依據(jù)實(shí)際情況來決定。工作閘門一般都采用露頂式平板鋼閘門，方便實(shí)時(shí)觀察工程進(jìn)度。船閘要采用3級船閘，船舶噸位按照1 000 t來設(shè)計(jì)。最小不可以低于900 t。

電站采用河床式廠房形式，建于左岸，電站右側(cè)要緊挨著泄水閘，電站左側(cè)要和門庫段相接。另外，電站要安裝4臺(tái)入流式燈泡機(jī)組，總燈泡機(jī)組容量約為58 MW。壩頂高程和壩頂寬依據(jù)實(shí)際情況讓技術(shù)工人進(jìn)行設(shè)計(jì)，前提條件是一定要保證容量充足。

1.2 地形地貌及其他條件

中國的大部分河流區(qū)地質(zhì)都相同，一般的壩址區(qū)河床都是由砂層和砂卵礫石層這兩部分組成的，呈松散～中密狀態(tài)。含泥中細(xì)砂、含礫中粗砂、礫質(zhì)中粗砂等組成砂層，厚度在8.0～22.0 m之間，最厚可達(dá)25.0 m；下部砂卵礫石層由含泥砂卵礫石和砂卵礫石組成，小部分會(huì)有含泥中粗砂，一般層厚4.4～9.0 m，最厚可超過15.0 m。河床砂層及砂卵礫石層滲透性屬中等偏強(qiáng)透水，且厚度偏大。一般河流地區(qū)都呈U形分布。

在開展工程之前要注意地區(qū)的暴雨情況，判斷總結(jié)工程實(shí)施地區(qū)的暴雨特點(diǎn)。暴雨直接可以造成洪水的發(fā)生，準(zhǔn)確掌握洪水發(fā)生時(shí)間，避免給工程帶來影響。另外，風(fēng)速也會(huì)影響工程的進(jìn)展，要掌握施工地區(qū)的風(fēng)向和風(fēng)速并加以利用。

2 施工導(dǎo)流技術(shù)

2.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

在前池中進(jìn)行導(dǎo)流[2-6]，可以大幅度減小前池的自然擴(kuò)散角，并改變水流的擴(kuò)散角，讓其比前池的擴(kuò)散角小，這樣就可以滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265-2010)對施工設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)滿足這一項(xiàng)要求也是導(dǎo)流的標(biāo)準(zhǔn)。讓前池中的所有水流都可以順暢地向下流，各個(gè)位置水流的流速都相同，池內(nèi)不再存在漩渦、回流等情況，讓前池中的水流橫向速度在各個(gè)位置都相近，使進(jìn)入流道的水流在各個(gè)位置的流速和壓力都趨于平穩(wěn)，提高水泵的性能等都是導(dǎo)流的標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)流最重要的就是優(yōu)化前池，其中優(yōu)化前池水力特性的標(biāo)準(zhǔn)是：①除去或削弱前池的回流和漩渦，從而達(dá)到降低水力損失和改善泵的進(jìn)流條件；②對前池流速的豎向分布進(jìn)行改變，讓上層流速減小，讓底層流速增大，這樣一來就可以更好地克服水流對前池后端水墻的頂沖現(xiàn)象，給各泵提供充沛的進(jìn)流并減少泵中的泥沙淤積；③讓前池流速的橫向分布趨于平穩(wěn)，改善多泵運(yùn)行時(shí)各泵配水的均勻性，提高泵站的工作效率。

圖1為符合導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的前池表面流態(tài)圖。只要前池符合導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)的施工就可以順利實(shí)施。

圖1 前池表面流態(tài)圖

2.2 導(dǎo)流方案

根據(jù)Reynolds理論，導(dǎo)流方案主要有應(yīng)力導(dǎo)流和渦黏導(dǎo)流兩種。而渦黏導(dǎo)流中的兩方程理論在工程中使用最為廣泛，最基本的兩方程方案是標(biāo)準(zhǔn)k-s方案，即分別引入關(guān)于湍動(dòng)能k和耗散率s的方案。

標(biāo)準(zhǔn)k-s方案是典型的雙導(dǎo)流方案，也是目前應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)流方案。其工作內(nèi)容見圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)k-s方案

標(biāo)準(zhǔn)k-s方案在導(dǎo)流動(dòng)能方程的基礎(chǔ)上，再引入一個(gè)關(guān)于導(dǎo)流動(dòng)能耗散率s方程，便形成了k-s雙導(dǎo)流方案，稱為標(biāo)準(zhǔn)k-s導(dǎo)流方案。其中,表示導(dǎo)流動(dòng)能耗散率s被定義為:

(1)

式中：ul為耗散率。

在標(biāo)準(zhǔn)k-s方案中[7-9]，k和s是兩個(gè)基本未知量，與之對應(yīng)的導(dǎo)流方程為:

(2)

其中：Gk為由平均速度引起的導(dǎo)流動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的導(dǎo)流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，對于不可抵御流Gb=0;YM為可抵御流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，對于不抵御流YM=0。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合RNG-6方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，從目前的N-S方程出發(fā)，運(yùn)用一種“reydbution gxbi”的數(shù)學(xué)方法對其加以推導(dǎo)。其過程見圖3。

圖3 Realizable k-s方案工作流程

它和標(biāo)準(zhǔn)k-s方案很相似，但是有以下幾個(gè)方面的改進(jìn)：①RNG-6方案增加了一個(gè)條件，有效改善了精度。②考慮到導(dǎo)流漩渦，提高了在這方面的精度。③RNG理論解決了導(dǎo)流黏性常數(shù)帶來的影響，但標(biāo)準(zhǔn)k-s方案仍受影響。④標(biāo)準(zhǔn)k-s方案可以說是一種高塔避數(shù)的方案， 而RNG理論正好提供了一個(gè)考慮低塔避數(shù)流動(dòng)黏連的解析公式。這些公式可以有效避免近塔區(qū)域所帶來的影響。

這些特點(diǎn)使得 RNG-6方案比標(biāo)準(zhǔn)k-s方案有著更高的精度和可信度。RNG-6方案的方程為：

(3)

在Realizable k-s方案中，可以有效避免水流時(shí)因?yàn)槠骄鶓?yīng)聲率特別大而制造的負(fù)的正壓力。為了讓導(dǎo)流方案滿足導(dǎo)流物理定律的所有要求，就要給正壓力創(chuàng)造一個(gè)數(shù)學(xué)約束[10-13]，為了創(chuàng)造這種約束，就要改變導(dǎo)流黏連度計(jì)算式中的系數(shù)G，不讓它和常數(shù)相結(jié)合，讓其和應(yīng)變率相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算。這樣就構(gòu)成了Realizable k-s導(dǎo)流方案。

Realizable k-s導(dǎo)流方案可以精準(zhǔn)預(yù)測出平板型和圓柱型噴射流體的分叉速率，它在應(yīng)對旋扭流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯型的斷水層流動(dòng)、流動(dòng)分區(qū)和多次流方面的表現(xiàn)都非常符合要求。

2.3 施工技術(shù)設(shè)計(jì)

為了全面分析砂礫石層水流的流態(tài)，不僅要測量表面流態(tài)量，還需要對過流斷面流速的典型例子進(jìn)行量測。根據(jù)泵站進(jìn)水形式的特點(diǎn)和水泵的運(yùn)行情況，量測典型過流斷面的流速分布時(shí)，要先進(jìn)行測點(diǎn)布置。首先確定2個(gè)施測橫斷面(1～5層斷面)和28個(gè)施測縱斷面(G～S斷面)。在垂直方向上，分別距流斷面砂礫石層2、6、18和22 cm，并且在水流層表面分別設(shè)置5層測點(diǎn)((1)～(5)層)。把進(jìn)到水池中水流的縱向作為流速方向，也就是正對著施工器材組的方向，并定義為零度，然后依照順時(shí)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)的原則[14-15]。在流速分布圖中箭頭的方向就是水流的方向，線段的長短代表著流速大小，線段越長流速越大，反之越小。

具體的導(dǎo)流泵站位置分布見圖5(箭頭方向代表水流流向)。

圖4 泵站總體布置平面圖

圖5 泵站總體布置剖面圖

在分析總結(jié)出砂礫石層水流的流態(tài)之后，以上述圖為基礎(chǔ)結(jié)合實(shí)際情況建造泵站，值得注意的是要盡量設(shè)置不少于3個(gè)流道進(jìn)口，方便水流向外流。泵站不可以距離流道進(jìn)口過遠(yuǎn)，過遠(yuǎn)不方便導(dǎo)流，距離應(yīng)在2～8 m之間。利用泵站就可以實(shí)現(xiàn)對水利樞紐排水工程砂礫石層的導(dǎo)流，由此完成水利樞紐排水工程砂礫石層導(dǎo)流技術(shù)的設(shè)計(jì)。

3 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的水利樞紐排水工程砂礫石層導(dǎo)流技術(shù)的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。主要對比應(yīng)用此次研究的導(dǎo)流技術(shù)后的耗費(fèi)成本以及效率，并為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說明性，將傳統(tǒng)技術(shù)與所研究技術(shù)進(jìn)行對比，具體內(nèi)容如下。

3.1 耗費(fèi)成本對比

對比應(yīng)用兩種導(dǎo)流技術(shù)后，所耗費(fèi)的成本對比結(jié)果見圖6。

圖6 耗費(fèi)成本對比

通過分析圖6能夠發(fā)現(xiàn)，此次研究的水利樞紐排水工程砂礫石層導(dǎo)流技術(shù)所耗費(fèi)的成本較少，原因是此次研究的導(dǎo)流技術(shù)合理制定了施工程序，并能夠針對施工地的情況，合理設(shè)定導(dǎo)流技術(shù)。而傳統(tǒng)的導(dǎo)流技術(shù)所耗費(fèi)的成本較多，較此次研究的導(dǎo)流技術(shù)耗費(fèi)成本多。

3.2 效率對比

對比此次研究的水利樞紐排水工程砂礫石層導(dǎo)流技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的施工效率，其對比結(jié)果見圖7。

圖7 效率對比

分析圖7發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的導(dǎo)流技術(shù)在工作過程中，耗費(fèi)的時(shí)間較少，而傳統(tǒng)技術(shù)耗費(fèi)時(shí)間較多，由此可以證明此次研究的技術(shù)較傳統(tǒng)技術(shù)效率高。

4 結(jié) 語

在水利樞紐排水工程中，對導(dǎo)流技術(shù)加以合理運(yùn)用非常重要。導(dǎo)流技術(shù)施工的主要內(nèi)容就是確定砂礫石層的水流并建立泵站、選擇合適的導(dǎo)流方案、嚴(yán)格遵守導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)以及分析排水地區(qū)的實(shí)際情況。其中，最重要的就是根據(jù)技術(shù)人員測量得到的數(shù)據(jù)選擇合適的導(dǎo)流方案。導(dǎo)流技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量會(huì)直接影響整個(gè)水利樞紐排水工程的使用功能。所以，一定要以實(shí)際情況為基礎(chǔ)，結(jié)合導(dǎo)流技術(shù)，制定出合理的導(dǎo)流技術(shù)施工方案，以便幫助水利樞紐排水工程順利地展開，提高水資源的利用率。