不同消波工程措施對渡槽水位波動影響研究

張 宇

(四川省水利規(guī)劃研究院，四川 成都 610072)

引水工程是優(yōu)化地區(qū)水資源時空配置的重大工程，在規(guī)劃設(shè)計和修建引水工程中，會出現(xiàn)跨越河渠、溪谷、洼地、鐵路、公路等情況，此時就需要修建大型渡槽[1-2]。渡槽在設(shè)計時，要考慮渡槽內(nèi)水位波動的影響，如果水位波動較大，不僅會產(chǎn)生縱向行進(jìn)波，對渡槽造成沖蝕和淘刷，同時還會產(chǎn)生周期性的橫向波動，對渡槽造成疲勞損傷，給渡槽的安全和穩(wěn)定運行帶來重要影響，因此有必要對大型渡槽的消波工程措施進(jìn)行專項研究[3-7]。

四川毗河供水1期工程設(shè)計灌溉面積333.23萬畝，工程等別屬I等，相應(yīng)工程規(guī)模為大(1)型灌區(qū)，主要由取水樞紐、渠系工程、灌區(qū)囤蓄水庫及提灌工程等組成?？偢汕L156.3km，主要由明渠、隧洞、渡槽、倒虹管等組成，其中渡槽共計56座，總長27.75km，占總干渠渠線長度的17.8%。渡槽最大架設(shè)高度為46.5m，單段最大長度為3674m，采用鋼筋砼拱支承結(jié)構(gòu)，渡槽槽身、墩臺、墩身分別采用C50、C30和C25混凝土。本文以其中一段渡槽為研究對象，對渡槽設(shè)計過程中存在的問題進(jìn)行分析，根據(jù)存在的問題提出了多種消波工程措施，并通過數(shù)值模擬方式對不同措施的消波效果進(jìn)行對比，以期能為大型渡槽工程規(guī)劃設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 渡槽原設(shè)計方案水位波動分析

1.1 渡槽原設(shè)計方案

四川毗河供水1期工程某段渡槽采用雙線雙槽布置型式，如圖1所示。從上到下依次分為進(jìn)口段、漸變段、閘室、進(jìn)口連接段、渡槽段、出口連接段、閘室、漸變段、出口段等結(jié)構(gòu)組成，長度分別為60、40、26、20、60、20、15、60、60m，渡槽高度為7.8m，槽身采用開口箱型渡槽，分兩跨布置，每跨渡槽的長度為30m，雙槽中隔壁墩的厚度大小為5m，尾墩為圓弧形，上下游干渠的斷面型式為梯型。設(shè)計流量下上下游水位差為0.16m，加大流量下上下游水位差為0.17m。

圖1 原渡槽設(shè)計方案

1.2 水位波動模擬分析

利用Solid Works軟件建立渡槽模型并將其轉(zhuǎn)換為Flow-3D流體計算軟件可以識別的格式[8]，然后利用Flow-3D軟件對模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分(網(wǎng)格總數(shù)量1030000個，其中流體網(wǎng)格和固體網(wǎng)格數(shù)量分別為710000個和320000個)，接著利用N-S控制方程和RNG k-ε湍流模型對渡槽的水位波動情況進(jìn)行分析，水流雷諾系數(shù)取值為9.34×106，流量為340m3/s，水流粘滯性系數(shù)取值為0.001N·s/m2，渠道糙率取值為0.014，模擬總時長為30min。

選取不同的時間點匯出渡槽的水深情況，見圖2。通過水深情況，對渡槽的波動進(jìn)行進(jìn)行分析，結(jié)果表明：渡槽內(nèi)在設(shè)計流量下水位的最大波動幅度達(dá)到0.8m，平均波動幅度為0.58m，水位波動幅度較大。分析其原因：一是因為渡槽的中隔壁尾墩為半圓形，由于在出口尾墩處水流匯流急速，導(dǎo)致雙列卡門渦街現(xiàn)象的產(chǎn)生；二是因為渡槽的長度過短，僅為60m，即使包括閘室和連接段，總長也僅為141m，渡槽出口尾墩處形成的雙列卡門渦街現(xiàn)象會造成左右槽漩渦出現(xiàn)相位差，導(dǎo)致漩渦的波峰波谷對稱向上游傳遞，而由于渡槽的長度過短，從而導(dǎo)致渡槽內(nèi)的進(jìn)口處的流量也會發(fā)生變化，兩者疊加(差異流量+波動)使得渡槽內(nèi)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，最終導(dǎo)致在渡槽內(nèi)會出現(xiàn)較大幅度的水位波動問題，對于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全是極為不利的，因此需要增設(shè)消波工程措施。

圖2 渡槽槽身段水深變化云圖

2 消波工程措施方案設(shè)計

為了減小渡槽內(nèi)的水位波動現(xiàn)象，提出了兩種控制水位波動的措施：一是在尾墩處增加導(dǎo)流消波工程措施，從而消除或者減小漩渦對水位波動的影響；二是在渡槽槽身段增加底坎消波工程措施，從而消除或者減小尾渦向上傳遞帶來的波動影響。

增加導(dǎo)流消波工程措施優(yōu)化設(shè)計方案示意如圖3所示。該方案包括兩種：①將原始半圓形尾墩延長成橢圓形；②將原始半圓形尾墩延長成雙圓弧形。對于延長成橢圓形的情況，是指保持Y軸為5m不變，將X軸(尾墩長度)分別從2.5m(原設(shè)計狀態(tài))延長至3m、5m、8m和15m；對于延長成雙圓弧形的情況，是指圓弧半徑從2.5m增大至4m、10m、16m和40m，相應(yīng)的尾墩長度分別延長至3m、5m、8m和15m。

圖3 增加導(dǎo)流消波工程措施方案

增加底坎消波工程措施方案如圖4所示。該方案包括5種：①在渡槽的右側(cè)出口處增加1個流線型底坎；②在渡槽右側(cè)出口處增加1個齒坎型底坎；③分別在渡槽的右側(cè)、左側(cè)出口處各增加1個齒坎型底坎，兩個底坎錯位間距為5m；④在渡槽右側(cè)出口處增加2個相同的齒坎型底坎，兩個底坎相隔7m；⑤在渡槽的右側(cè)出口處增加兩個交錯的齒坎型底坎，兩個底坎的間距為7m；5種方案下的底坎高度均為1.5m。為了下文便于分析，將5種工況分別編號為K1～K5。

3 消波工程措施消波效果對比

在每種消波工程措施設(shè)計方案下，除了尾墩之外，均采用與原設(shè)計方案一致的參數(shù)進(jìn)行模擬，限于文章篇幅，本文僅將模擬計算得到的不同優(yōu)化方案下的最大水位波動幅度情況進(jìn)行總結(jié)和對比。

3.1 增加導(dǎo)流工程控制消波效果對比

不同橢圓形尾墩優(yōu)化設(shè)計方案下的最大水位波動幅度情況如圖5所示。從圖5中可知：隨著尾墩長度的增加，渡槽槽身內(nèi)的最大水位波動幅度呈逐漸減小的變化特征，且前期降幅較快，后期降幅較慢，當(dāng)渡槽尾墩長度從原設(shè)計的2.5m增加至3m后，最大水位波動幅度從0.8m降低至0.42m，降低幅度為47.5%，當(dāng)尾墩長度增加至5m后，最大水位波動幅度為0.18m，相比原設(shè)計方案降低幅度達(dá)到77.5%，當(dāng)尾墩長度增加至8m后，最大水位波動幅度為0.12m，相比原設(shè)計方案降低幅度達(dá)到85%，當(dāng)尾墩長度繼續(xù)增加至15m后，最大水位波動幅度降至0.09m，相比原設(shè)計方案降低幅度達(dá)到88.75%。通過以上分析可知：當(dāng)尾墩長度超過8m后，繼續(xù)增加尾墩長度雖然可以降低最大水位波動幅度，但效果不再明顯，因此橢圓形尾墩的最佳長度為8m。

圖4 增加底坎消波工程措施方案示意

圖5 不同橢圓形尾墩長度下最大波動幅度

不同雙圓弧形尾墩優(yōu)化設(shè)計方案下的最大水位波動幅度情況如圖6所示。從圖6中可知：隨著圓弧形尾墩長度的增加，渡槽內(nèi)的最大水位波動情況也呈逐漸減小的變化特征，且變化趨勢與橢圓形尾墩優(yōu)化方案下一致；當(dāng)尾墩長度從2.5m增加至3m后，最大水位波動幅度從0.8m降低至0.4m，降低幅度為50%，當(dāng)尾墩長度增加至5m后，最大水位波動幅度為0.23m，相比原設(shè)計方案降低幅度達(dá)到71.25%，當(dāng)尾墩長度增加至8m后，最大水位波動幅度為0.15m，相比原設(shè)計方案降低幅度達(dá)到81.25%，當(dāng)尾墩長度繼續(xù)增加至15m后，最大水位波動幅度降至0.14m，相比原設(shè)計方案降低幅度達(dá)到82.5%，故尾墩長度最佳長度也為8m。當(dāng)尾墩長度均增加至最佳長度8m后，橢圓形和雙圓弧形的最大波動幅度分別為0.12m和0.15m，因此，增加導(dǎo)流工程控制措施對水位波動幅度進(jìn)行控制時宜優(yōu)先選用橢圓形尾墩。

圖6 不同雙圓弧形尾墩長度下最大波動幅度

3.2 增加底坎消波工程控制措施消波效果對比

不同底坎消波工程措施下的最大水位波動幅度情況如圖7所示。從圖7中可知：當(dāng)在渡槽槽身中增加1個流線型底坎(K1)后，最大水位波動高度為0.265m，相比原設(shè)計方案降低66.875%，當(dāng)在渡槽右側(cè)出口處增加1個齒坎型底坎后(K2)，最大水位波動幅度為0.285m，相比原設(shè)計方案降低64.375%，當(dāng)在渡槽右、左兩側(cè)出口處各增加1個齒坎型底坎(K3)后，最大水位波動幅度為0.255m，相比原設(shè)計方案降低68.125%，當(dāng)在渡槽右側(cè)出口處增加2個相同的齒坎型底坎(K4)后，最大水位波動幅度為0.195m，相比原設(shè)計方案降低75.625%，當(dāng)在渡槽的右側(cè)出口處增加兩個交錯的齒坎型底坎(K5)后，最大水位波動幅度僅為0.15m，相比原設(shè)計方案降低81.25%。從5種消波改進(jìn)方案對比可知：同等水文參數(shù)情況下，K5方案的消波效果最佳，故在利用增加底坎消波工程措施時，宜優(yōu)先選用在渡槽的右側(cè)出口處布置兩個間距為7m的交錯齒坎型底坎。

圖7 不同底坎消波工程措施下最大水位波動幅度

4 結(jié)論

針對毗河供水1期工程渡槽設(shè)計出現(xiàn)水位波動幅度較大問題，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計模擬研究，得出如下結(jié)論與建議：

(1)隨著尾墩長度的增加，渡槽內(nèi)的最大水位波動幅度呈逐漸減小的變化特征；橢圓形尾墩的消波效果優(yōu)于雙圓弧形尾墩，當(dāng)橢圓形尾墩長度達(dá)到8m后，最大水位波動幅度僅為0.12m，相比原設(shè)計方案降低85%。

(2)當(dāng)在渡槽的右側(cè)出口處布置兩個間距為7m的交錯齒坎型底坎時，渡槽中的最大水位波動幅度僅為0.15m，相比原設(shè)計方案降低了81.25%，為最佳的底坎消波布置型式。

(3)限于試驗條件限制，還未進(jìn)行物理模型試驗來對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗證，這將在今后做進(jìn)一步補充。