岸堤水庫堤防圍堰導流施工下泵閘前池水力與水沙特征研究

田紅霞

（山東省臨沂市河東區(qū)應(yīng)急救援指揮服務(wù)中心，山東 臨沂 276000）

1 引言

水利工程的建設(shè)常需要設(shè)計圍堰導流，而不同的圍堰導流施工方案，對已有水工設(shè)施的運營安全乃是重大考驗。因而，研究已有水工建筑三維滲流特征與圍堰導流方案很有必要[1]。對于水工建筑滲流場特征研究，何志亞 等[2]、鄭利娜 等[3]采用了水工模型試驗方法，從室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ徒嵌瓤紤]水利工程的流速、時均壓強及浸潤線等水力特征，特別是從水工模型不同邊界狀態(tài)，評價工程設(shè)計利弊性。朱俊亞 等[4]為研究圍堰結(jié)構(gòu)的三維滲流場特征，采用Fluent 等流場計算平臺，分析了圍堰三維流態(tài)特征。關(guān)盛旺[5]、唐蘭蘭[6]為探討圍堰施工方案，從圍堰施工導流設(shè)計優(yōu)化進行研究，從工程優(yōu)化布置、堰體設(shè)計等多方面，分析圍堰方案技術(shù)優(yōu)勢，推動工程建設(shè)與圍堰施工安全。由此可見，圍堰施工方案，不僅對水工結(jié)構(gòu)的安全運營具有重要影響，同樣可利于工程建設(shè)。本文探討不同圍堰施工方案與不同導流量下，水庫泵閘前池內(nèi)三維滲流場影響變化，推動圍堰方案優(yōu)化設(shè)計。

2 工程設(shè)計

2.1 工程概況

作為臨沂地區(qū)重要供水樞紐，岸堤水庫承擔著防洪、灌溉、排澇、輸供水及發(fā)電等綜合水利功能。岸堤水庫心墻防洪堤壩剖面如圖1 所示，其壩基位于覆蓋厚度分布在50 m～200 m，以粗砂、粉質(zhì)壤土、碎石土等為主。泵閘工程乃是下游輸水運營的關(guān)鍵，其裝配有多個動力設(shè)施，前池軸長為12 m，坡度為1/0.5，具備排澇、輸水功能，是岸堤水庫發(fā)揮水利作用的重要載體。由于水庫上游臨沂河挾沙水流影響，導致心墻壩、泵閘等均出現(xiàn)一定的磨蝕，且泥沙淤積造成蓄水、泄洪能力降低。為此，考慮對岸堤水庫上游臨沂河進行清淤整治，且采用圍堰導流方式，確保岸堤水庫水工設(shè)施運營正常。因而，針對不同圍堰導流方式，開展岸堤水庫水工設(shè)施的滲流安全研究很有必要，本文以岸堤水庫泵閘工程為研究對象。

圖1 心墻堤壩幾何模型

2.2 設(shè)計仿真

圖2 為圍堰施工設(shè)計平面形式。圍堰導流方式岸堤水庫實際現(xiàn)狀，考慮有兩段式圍堰法、三段式圍堰法及全段圍堰法3 種施工方式，泵閘工程位于明渠中游，上、下游圍堰的導流量及導流方式設(shè)定均會顯著影響泵閘運營。

圖2 圍堰施工設(shè)計平面形式

本文采用Fluent 建立起岸堤水庫泵站前池模型，圖3 為構(gòu)建起的前池三維計算模型，該模型為直線型變坡度前池，與水庫引水泵閘工程前池設(shè)計一致，模型全軸長為28 m，最寬處為3.2 m，最大引流量按照實際工況的相似比尺20 換算，設(shè)定為120 m3/s。

圖3 前池三維計算模型

利用CFD 流場計算網(wǎng)格劃分方法，對前池進行網(wǎng)格劃分。圍堰導流施工作用于模型邊界，如兩段式圍堰施工工藝下，進、出水口流體邊界均為半流模型狀態(tài)；且分別在兩段式、三段式及全段式圍堰中設(shè)定有半開度閘門、1/4 開度閘門及全開閘門形式，閘門模型的建立內(nèi)嵌在前池模型中，3 種方案中結(jié)構(gòu)體型保持一致[7]。圍堰導流量研究方案按照岸堤水庫泄流量標準，設(shè)定為150 m3/s、200 m3/s、300 m3/s、350 m3/s、400 m3/s、450 m3/s、500 m3/s?；诓煌瑖呤┕し桨赶掠嬎?，探討岸堤水庫圍堰導流下泵閘前池等水工設(shè)施的運營安全。

3 圍堰施工對前池流速特征影響

3.1 圍堰形式

為研究不同施工工藝下圍堰施工對前池流速特征影響，基于3 種不同圍堰形式下三維流場計算，獲得了前池內(nèi)各斷面處流速變化特征，如圖4 所示。從圖中可知，流速水平最高為全段式圍堰施工形式，其流速分布為0.52 m/s～1.29 m/s，而兩段式與三段式圍堰施工下流速較之前者分別減少了51%～74.9%、2.9%～29.9%。從流速變化特征來看，全段式、三段式圍堰施工下，流速最高斷面位于前池中部斷面，均位于斷面12 m，后流速呈遞減變化，即此兩種圍堰施工方式下流速呈先增后減變化；在前池軸線低于斷面12 m 時，全段式圍堰施工下，流速具有平均增幅20.1%，而三段式圍堰下流速增幅較之前者較低，具有平均增幅15.9%；由此可知，三段式與全段式圍堰施工方式下，前池內(nèi)流速會在中部形成一個漩渦狀，而進、出水口處水體會逐步裹挾至中部，導致泥沙會沉積在進、出水口等區(qū)段，而中部泥沙淤積程度會較低。相比之下，兩段式流速呈遞增-穩(wěn)定兩階段變化特征，第一階段的遞增持續(xù)至斷面18 m 處，平均增幅為10.5%，而在第二階段流速持續(xù)穩(wěn)定至1.03 m/s，此時流速處于“ 飽和”狀態(tài)，無較大波動，最大變幅不超過0.2%。分析表明，兩段式圍堰施工下，由于水體會在前池近迎水側(cè)形成穩(wěn)定流態(tài)，且圍堰兩段式流體與前池內(nèi)雙側(cè)水體形成契合[8]，對池內(nèi)流場穩(wěn)定性影響較小。

圖4 不同圍堰施工方案下池內(nèi)斷面處流速變化特征

3.2 導流量

從圍堰導流施工方案下前池流速對比，可認為兩段式導流施工更能保證水工設(shè)施運營穩(wěn)定性，故本文研究導流量的影響時，只考慮兩段式圍堰施工方案，如圖5 所示。

從圖5 中可知，當圍堰導流量愈大，整體上池內(nèi)流速水平愈高，但流速水平的升高具有變幅差異，當導流量為150 m3/s 時，池內(nèi)斷面流速分布為0.34 m/s～0.41 m/s，平均流速為0.41 m/s，而當導流量增大至200 m3/s、300 m3/s，其流速分布較前者增長了9.9%～40.1%、35.6%～72.6%，平均流速分別增大了24.8%、60.5%；但在導流量為400 m3/s、500 m3/s時，平均流速較之導流量300 m3/s 下分別增大了35.8%～81%、1.1～1.8 倍。從增幅區(qū)間的變化來看，當導流量為150 m3/s～350 m3/s 時，方案中每梯次導流量的增長，可引起池內(nèi)斷面平均流速增長21.1%，其中最大增幅為34.1%，而在導流量為350 m3/s～500 m3/s區(qū)間內(nèi)，其平均流速的增幅可達29.8%，最大增幅可達34.1%。由此可知，圍堰導流量對池內(nèi)流速影響在高流量方案下更為顯著，特別是圍堰導流量超過350 m3/s 后，池內(nèi)流速水平顯著增長。

圖5 不同導流量下池內(nèi)斷面處流速變化特征

另一方面，流速水平的變化具有顯著差異，當圍堰導流量低于350 m3/s 時，僅在池內(nèi)某些斷面上存在波幅段，甚至在導流量150 m3/s、200 m3/s 方案中，波幅段不顯著，最大波幅僅為3%、5%。當導流量為400 m3/s、500 m3/s 等方案中時，池內(nèi)流速在各斷面上無穩(wěn)態(tài)段，最大變幅分別可達17.7%、18.5%，總體上流速受控程度低于導流量較小方案。綜上分析可知，圍堰導流量過高，會影響前池內(nèi)流速穩(wěn)定性，控制圍堰導流量在合理區(qū)間內(nèi)更為安全；從本文計算結(jié)果可知，圍堰導流量350 m3/s 時較為適配。

4 圍堰施工對泵站水沙特征影響

根據(jù)對3 種圍堰施工方案下不同導流量前池斷面上含沙量特征分析，獲得如圖6 所示含沙量演化結(jié)果。從圖中可知，3 種圍堰施工方案下，以兩段式圍堰導流下含沙量水平最低，當處于同一導流量150 m3/s 下，其含沙量分布為0.34 kg/m3～1.08 kg/m3，平均含沙量僅為0.67 kg/m3，而三段式、全段式圍堰方案下平均含沙量較之分別增大了1.02～2.3 倍、68.5%～1.1 倍。不僅如此，當導流量愈大，三段式、全段式含沙量與之差幅愈為顯著，表明導流量會放大不同圍堰導流方案下排沙、控沙差異。從導流量影響含沙量變化可知，當導流量愈大，斷面含沙量愈高，但3 種圍堰導流方案的含沙量增幅均在導流量350 m3/s 后才具顯著。

圖6 池內(nèi)斷面含沙量特征

從含沙量變化特征可知，兩段式圍堰導流方案下含沙量增幅較穩(wěn)定，而全段式、三段式圍堰導流方案下均有雙段增幅特征，以導流量250 m3/s 下為例，前者在前池斷面2 m～16 m 上具有較低增幅，平均增幅為3.7%，而后者在斷面16 m～28 m 上具有平均增幅16.2%，而三段式圍堰在12 m 后含沙量具有較顯著增幅。由此可知，全段式、三段式圍堰含沙量的變化會在斷面上呈不同梯次演變，而兩段式圍堰排沙狀態(tài)較穩(wěn)定，含沙量的變幅穩(wěn)定性及增幅均處于較低水平。

5 結(jié)論

（1）全段式圍堰施工下流速水平最高；全段式與三段式圍堰下流速呈先增后減變化，池內(nèi)中部斷面易形成漩渦，兩段式圍堰施工下流速呈遞增-穩(wěn)定狀態(tài)，流速波動性較低，最大變幅不超過0.2%。

（2）圍堰導流量愈大，則前池流速水平愈高，但顯著增幅在導流量350 m3/s 后；當導流量低于350 m3/s，池內(nèi)流速具有較穩(wěn)定段，波幅較低，而導流量超過該值后，全斷面流速震蕩顯著，無一致性規(guī)律特征。

（3）兩段式圍堰導流下含沙量水平最低，且導流量愈大，另2 種圍堰方案的含沙量與前者差幅愈顯著；全段式、三段式圍堰導流下分別在池內(nèi)斷面16 m、12 m 處具有增幅變化，而兩段式圍堰下含沙量增幅穩(wěn)定。

（4）從流速特征及水沙特征，認為兩段式圍堰施工導流量350 m3/s 時，前池滲流運營安全性較高。