輸水渡槽水位異常波動原因分析與改善措施研究

屈志剛 李政鵬

摘要：南水北調(diào)中線工程自2020年開始正式啟動大流量輸水，在此期間部分輸水渡槽進(jìn)出口流態(tài)紊亂，槽內(nèi)水位異常波動，過流能力降低。以澧河渡槽為研究對象，通過高精度三維水動力學(xué)數(shù)值模型模擬復(fù)演了澧河渡槽現(xiàn)狀流態(tài)異?，F(xiàn)象，探究了渡槽水位異常波動的原因，即由于渡槽出口中墩體型寬平導(dǎo)致水流急劇繞流形成“卡門渦街”現(xiàn)象，墩尾水流出現(xiàn)周期性擺動，并引起兩槽流量的周期性變化，反過來又加重了墩尾水流的擺動，兩者相互激勵形成共振，放大了渡槽水位的異常波動。結(jié)合工程實(shí)際提出了各種可行的流態(tài)優(yōu)化工程措施，并通過數(shù)模分析對比，得出了最適合澧河渡槽的方案，即：在渡槽進(jìn)、出中墩上下游修建三角形導(dǎo)流墩導(dǎo)流，從工程性價比、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面綜合考慮，推薦采用“進(jìn)口長10 m+出口長30 m”的導(dǎo)流墩尺寸方案。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似調(diào)水工程渡槽流態(tài)改善借鑒。

關(guān) 鍵 詞：輸水渡槽; 水位異常波動; 卡門渦街; 數(shù)值模擬; 流態(tài)優(yōu)化; 南水北調(diào)中線工程

中圖法分類號： TV131.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.030

0 引 言

南水北調(diào)中線工程（以下簡稱中線工程）自2014年12月12日建成通水以來，經(jīng)歷了汛期和冰期輸水的考驗(yàn)，在設(shè)計(jì)流量下整體運(yùn)行狀況一直良好，成為沿線24座城市供水的生命線，通過實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水，成為助力中國生態(tài)文明建設(shè)的重要力量。

為加大對河南省、河北省、天津市等地37條河流生態(tài)補(bǔ)水，按照相關(guān)管理部門工作安排，2020年4月29日起，中線工程首次以設(shè)計(jì)加大流量進(jìn)行輸水，以此全面檢驗(yàn)中線工程大流量運(yùn)行狀態(tài)和最大輸水能力。

中線工程加大流量輸水以來，部分輸水渡槽進(jìn)出口流態(tài)紊亂，槽內(nèi)水位異常波動，過流能力降低，甚至影響到工程運(yùn)行安全，其中以澧河渡槽最為典型。通過現(xiàn)場調(diào)研，各級領(lǐng)導(dǎo)和專家一致認(rèn)為有必要對其進(jìn)行詳細(xì)研究，找出渡槽流態(tài)異常的原因，并有針對性地提出流態(tài)優(yōu)化工程措施，形成一套集流態(tài)研究和施工實(shí)施的完整解決方案，為南水北調(diào)工程其他輸水建筑物流態(tài)優(yōu)化提供參考和借鑒。

目前國內(nèi)外許多學(xué)者圍繞輸水建筑物流態(tài)問題開展了大量的研究，提出了許多新模型、新方法，也取得了豐富的研究成果。例如王才歡等[1]以南水北調(diào)十二里河渡槽為研究對象，采用水工模型試驗(yàn)揭露了大型輸水渡槽水流異常波動的原因，但由于項(xiàng)目周期和客觀條件所限，未對流態(tài)優(yōu)化工程措施進(jìn)行更深入的、定量的研究。為此，本文通過構(gòu)建高精度二、三維水動力學(xué)數(shù)值分析模型，以大流量輸水期間實(shí)測水情為邊界條件，模擬復(fù)演了澧河渡槽異常流態(tài)現(xiàn)象，分析澧河渡槽流態(tài)異常原因，并重點(diǎn)對各種導(dǎo)流墩體型和尺寸進(jìn)行了詳細(xì)的、定量的研究，提出了合理的導(dǎo)流墩體型和尺寸。

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程是一項(xiàng)跨地區(qū)、跨流域的特大型調(diào)水工程，全長1 432 km，采用高程差自流輸水，設(shè)計(jì)多年平均調(diào)水量95億 m3。工程輸水形式以明渠為主，沿線與鐵路、公路、河流采用立體交叉，其中布置輸水渡槽27座。

為進(jìn)一步發(fā)揮工程社會經(jīng)濟(jì)效益，2020年4月29日起，南水北調(diào)中線工程正式啟動大流量輸水，陶岔入渠流量從350 m3/s提升至420 m3/s。大流量輸水期間，部分輸水渡槽進(jìn)出口流態(tài)紊亂，槽內(nèi)水位異常波動，過流能力降低，迫切需要采取有效措施改善流態(tài)，消除槽內(nèi)水位異常波動，提高渡槽過流能力。

澧河渡槽全長860 m，主體建筑物包括退水閘、進(jìn)口漸變段、進(jìn)口節(jié)制閘、進(jìn)口過渡段、渡槽段、出口過渡段、出口檢修閘、出口漸變段、出口明渠段等，澧河渡槽工程布置見圖1。

渡槽設(shè)計(jì)流量320 m3/s，加大流量380 m3/s，進(jìn)口設(shè)計(jì)水位134.598 m，出口設(shè)計(jì)水位134.118 m，水頭0.480 m。

2 現(xiàn)狀流態(tài)問題

大流量輸水期間澧河渡槽流態(tài)紊亂表現(xiàn)為：

（1） 進(jìn)口閘室段2孔水位交替異常波動，即波動存在相反的相位差，一孔出現(xiàn)波峰時另一孔剛好為波谷，最大波動幅度在0.6 m左右，波動周期8 s，該波動引起進(jìn)口漸變段和上游一定范圍內(nèi)渠道水位波動。

（2） 槽內(nèi)水位大幅異常波動，通過持續(xù)的現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，渡槽流量小于300 m3/s時，槽內(nèi)水位波動幅度在0.1 m以內(nèi);當(dāng)流量達(dá)到320 m3/s時，槽內(nèi)水位波動幅度迅速增大，達(dá)到0.2～0.4 m;當(dāng)流量超過330 m3/s時，槽內(nèi)水體開始拍打橫梁，此時槽內(nèi)水位波動幅度達(dá)到0.5～0.7 m。

（3） 在不同流量下澧河渡槽出口均存在尾流擺動，呈現(xiàn)典型的”卡門渦街”現(xiàn)象，只是隨著流量的加大，尾流擺動的范圍和頻率有所提高，擺動周期一般在6～10 s。

澧河渡槽不同流量下水情觀測結(jié)果見表1。

3 現(xiàn)狀流態(tài)異常原因分析

為還原澧河渡槽大流量下的各種流態(tài)異?，F(xiàn)象，分析渡槽內(nèi)水面異常波動產(chǎn)生的原因，本文通過構(gòu)建三維數(shù)模，以典型時間（2020年6月11日）現(xiàn)場觀測水情為邊界條件，對澧河渡槽當(dāng)天的流態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬復(fù)演。

3.1 模型原理

三維數(shù)模基于流體力學(xué)基本方程組構(gòu)建，采用兩方程RNG k-ε紊流模型[2-4]，其控制方程為

連續(xù)性方程：

ρt+ρuixi=0（1）

動量方程：

ρuit+xiρuiuj=-pxi+xj[（μ+μt）（uixj+ujxi）]（2）

k方程：

（ρk）t+ρkuixi=xjμ+μtσkkxi+Gk-ρε（3）

ε方程：

（ρε）t+ρεuixi=xjμ+μtσεkxj+C1εεkG-C2ερε2k（4）3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2

其中，G為由平均速度梯度引起的紊動能產(chǎn)生項(xiàng)，即：

G=μt（uixj+ujxi）uixj（5）

ρ和μ是體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)，其計(jì)算公式為

ρ=αwρw+（1-αw）ρa(bǔ)

μ=αwμw+（1-αw）μa（6）

式中：αw為水的體積分?jǐn)?shù)，ρw和ρa(bǔ)分別為水和空氣密度，μw和μa分別為水和空氣的分子黏性系數(shù)，其他常見量物理含義參見文獻(xiàn)[3]。

3.2 模型構(gòu)建

選取澧河渡槽進(jìn)口上游200 m至出口下游200 m作為建模范圍，總長1 136 m。

以一般部位0.4 m、重點(diǎn)部位加密至0.2 m進(jìn)行網(wǎng)格剖分，以2020年6月11日當(dāng)日實(shí)測流量350.34 m3/s和下游實(shí)測水位135.12 m作為上、下游邊界條件。澧河渡槽三維數(shù)模網(wǎng)格剖分見圖2。

3.3 模擬結(jié)果

經(jīng)模擬，完整還原了2020年6月11日澧河渡槽各種流態(tài)現(xiàn)象。

（1） 進(jìn)口節(jié)制閘前水位呈周期性波動，最大波幅約0.5 m，波動周期9 s，左右兩槽水面波動存在相反相位差，即一槽出現(xiàn)波峰時另一槽剛好為波谷[1]，節(jié)制閘前水位波動見圖3。

（2） 出口左右兩槽水流以中墩為中心，呈周期性擺動，擺動周期約9 s，擺動還伴隨有方向相反的局部渦流向下游傳遞，即呈現(xiàn)流體力學(xué)中典型的“卡門渦街”現(xiàn)象[5-6]，渡槽出口“卡門渦街”現(xiàn)象見圖4～5。

（3） 渡槽內(nèi)出現(xiàn)超常的水面大波動現(xiàn)象，左右兩槽波動相位差異呈現(xiàn)隨機(jī)性，并間歇性出現(xiàn)橫梁阻水和局部漫槽現(xiàn)象。

3.4 槽內(nèi)水面異常波動原因分析

通過三維數(shù)模成功復(fù)演現(xiàn)狀澧河渡槽大流量輸水流態(tài)后，再結(jié)合各種流態(tài)改善工程措施研究，共同揭露了現(xiàn)狀流態(tài)異常產(chǎn)生的根源。

由于渡槽出口中墩墩尾體型寬平，出槽水流在此急劇繞流[7]，水流與墩壁脫離，出現(xiàn)“卡門渦街”現(xiàn)象，導(dǎo)致尾渦周期性脫落搖擺，形成2條周期性交錯的擠壓逆行波與擴(kuò)散順行波，并不斷向上游推進(jìn)（見圖6）。對于上游節(jié)制閘來說，相當(dāng)于在閘門下游出現(xiàn)周期性高低變化的水位頂托，過閘水頭時大時小，從而使得過閘流量也時大時小，這種流量周期性變化反過來又將引起左右2股出槽水流更加不均，加重了墩尾水流的擺動[8]，即節(jié)制閘過閘流量的交替變化與墩尾水流擺動是相互激勵的過程[4]，共同造成渡槽水位的劇烈波動，形成相互激勵的共振現(xiàn)象[9]。

此外，通過現(xiàn)狀流態(tài)觀測和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，渡槽進(jìn)出口漸變段拐角位置均存在小范圍的回流區(qū)，這是由于進(jìn)口漸變段收縮角和出口漸變段擴(kuò)散角較大導(dǎo)致，其中出口回流區(qū)范圍遠(yuǎn)大于進(jìn)口。通過現(xiàn)狀和工程措施后的流態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)出口回流區(qū)并未對渡槽水面異常波動等整體水流紊亂產(chǎn)生影響，這點(diǎn)從流態(tài)優(yōu)化措施比選結(jié)果可以得到印證，即采用導(dǎo)流墩就可消除渡槽水位異常波動，而進(jìn)一步采用內(nèi)外側(cè)組合導(dǎo)流墩消除拐角處的回流后，流態(tài)并未得到進(jìn)一步改善。

4 流態(tài)改善工程措施研究

4.1 擬定方案

前文通過對現(xiàn)狀流態(tài)的數(shù)值模擬復(fù)演，找出了渡槽流態(tài)異常產(chǎn)生的根源，即渡槽出口“卡門渦街”現(xiàn)象直接造成了渡槽水位的異常波動。為消除該流態(tài)現(xiàn)象，借鑒其他工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合該工程實(shí)際，提出了以下各種可行的導(dǎo)流墩方案，擬定了導(dǎo)流墩體型和初步尺寸（見表2），并在相同參數(shù)和邊界條件下進(jìn)行水動力學(xué)數(shù)值模擬。從中選出既能改善渡槽流態(tài)且結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的導(dǎo)流墩體型，最后再對選定的導(dǎo)流墩體型進(jìn)行詳細(xì)的尺寸研究，以確定最為合理的尺寸。

4.2 方案比選

4.2.1 體型方案比選

采用與現(xiàn)狀模擬相同的精度和方法構(gòu)建三維數(shù)模，對不同導(dǎo)流墩體型方案在相同參數(shù)和邊界條件下（進(jìn)口設(shè)計(jì)流量320 m3/s、出口設(shè)計(jì)水位134.11 m）進(jìn)行水動力學(xué)數(shù)值模擬。結(jié)果表明：除雙曲扭面導(dǎo)流墩外，其他體型導(dǎo)流墩均可完全消除出口“卡門渦街”現(xiàn)象，消除渡槽內(nèi)水面異常波動，但在水流平順度、流速變化梯度、水頭損失、流場等方面略有差別，整體流態(tài)改善程度略有不同，不同體型導(dǎo)流墩主要模擬成果見表3，主要體型出口水位縱剖面見圖7，出口流速分布見圖8。

通過從不同角度對各導(dǎo)流墩體型對比分析，主要結(jié)論如下：

（1） 除雙曲扭面導(dǎo)流墩外，其他體型導(dǎo)流墩均可消除出口“卡門渦街”和槽內(nèi)水面異常波動。

（2） 從縱橫向水位、流速變化比較渡槽出口水流平順度為：內(nèi)外側(cè)組合>等高扭面>流線型>三角形>實(shí)用型>三角+直墻型>中墩順延>雙曲扭面>現(xiàn)狀。

（3） 等高扭面水頭損失最小，三角形、流線型、實(shí)用型、中墩順延、內(nèi)外側(cè)組合水頭損失均非常接近，相差不超過0.005 m，三角+直墻組合導(dǎo)流墩略大，雙曲扭面導(dǎo)流墩最大。

（4） 內(nèi)外側(cè)組合導(dǎo)流墩可消除出口外側(cè)拐角位置的回流現(xiàn)象;中墩順延導(dǎo)流墩可使回流區(qū)范圍明顯減小;而等高扭面導(dǎo)流墩由于中心出流最集中，回流區(qū)范圍反而最大;雙曲扭面回流區(qū)范圍同現(xiàn)狀一樣隨尾流擺動呈不確定性;其他體型導(dǎo)流墩回流區(qū)范圍則相差不大。

綜上，從消除渡槽水面異常波動并最大限度改善流態(tài)考慮，由好到壞的選擇為：內(nèi)外側(cè)組合>等高扭面>流線型>三角形>實(shí)用型>三角+直墻型>中墩順延>雙曲扭面，但從投資、施工難度等方面綜合考慮，仍推薦采用三角形導(dǎo)流墩體型。

4.2.2 尺寸方案比選

采用相同的三維數(shù)模，對不同長度的三角形導(dǎo)流墩在相同參數(shù)和邊界條件下進(jìn)行水動力學(xué)數(shù)值模擬，以水流平順度、水頭損失、槽內(nèi)水位波動等作為評價指標(biāo)，以確定合理的導(dǎo)流墩長度。根據(jù)澧河渡槽工程布置，進(jìn)口導(dǎo)流墩長度在5～20 m范圍內(nèi)選取，出口長度在10～40 m范圍內(nèi)選取。3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2

（1） 進(jìn)口導(dǎo)流墩尺寸比較。

進(jìn)口導(dǎo)流墩主要對比墩頭墩尾水位落差、水頭損失（進(jìn)口局部段）兩項(xiàng)指標(biāo)，對比結(jié)果見表4。

（2） 出口導(dǎo)流墩尺寸比較。

出口導(dǎo)流墩主要對比出口流態(tài)、槽內(nèi)水位波動、水流平順度和總水頭損失幾項(xiàng)指標(biāo)。

流態(tài)對比結(jié)果顯示：出口安裝10 m長導(dǎo)流墩后， “卡門渦街”現(xiàn)象仍未消失，但與現(xiàn)狀相比尾流擺動幅度和頻率有所降低;安裝20 m長導(dǎo)流墩后 “卡門渦街”現(xiàn)象基本消失，但仍存在微小擺動;設(shè)置30 m和40 m導(dǎo)流墩后尾流擺動現(xiàn)象完全消失。隨著導(dǎo)流墩的加長，左右側(cè)流速分布更加對稱，出口不同尺寸三角形導(dǎo)流墩流速分布見圖9。

通過選取槽內(nèi)典型特征點(diǎn)（渡槽中點(diǎn)），對比出口設(shè)不同長度導(dǎo)流墩時該特征點(diǎn)的水位波動，結(jié)果顯示10 m長導(dǎo)流墩由于未完全消除尾流擺動，使得槽內(nèi)水位波動仍達(dá)到0.2 m左右，而20，30，40 m長的導(dǎo)流墩則均可使槽內(nèi)水位波動降低到0.1 m以內(nèi)，彼此并無明顯差別，出口設(shè)置不同尺寸三角形導(dǎo)流墩后槽內(nèi)水位波動見圖10。

從水流平順度來看，隨著出口導(dǎo)流墩的加長，渡槽出口水躍幅度逐步降低，高低速水流銜接更加平順;從水頭損失方面比較，10 m長導(dǎo)流墩由于未能徹底解決尾流擺動問題，水頭損失最大，導(dǎo)流墩長度從20 m逐步增加到40 m，可使水頭損失進(jìn)一步減小，但減小幅度非常有限，出口設(shè)不同長度三角形導(dǎo)流墩后水躍和水頭損失對比見表5。

通過從不同角度對進(jìn)、出口導(dǎo)流墩長度進(jìn)行對比分析，得出主要結(jié)論如下：

① 隨著進(jìn)出口導(dǎo)流墩的加長，水流均變得更加平順;

② 進(jìn)口導(dǎo)流墩長度在15 m時，水頭損失最小，出口導(dǎo)流墩長度在40 m時，水頭損失最小;

③ 出口采用20 m長導(dǎo)流墩后，“卡門渦街”現(xiàn)象基本消失，但尾流仍存在較小幅度的輕微擺動，采用更長的30 m和40 m長導(dǎo)流墩后，尾流擺動現(xiàn)象徹底消失，可完全解決現(xiàn)狀流態(tài)問題;

④ 出口采用20 m及以上長度導(dǎo)流墩后，槽內(nèi)已無水位異常波動，20 m及以上尺寸導(dǎo)流墩槽內(nèi)水位波動幅度無明顯差異;

⑤ 隨著出口導(dǎo)流墩的加長，左右側(cè)流速分布更加對稱。

綜上，僅從流態(tài)改善角度考慮，推薦采用“進(jìn)口長15 m+出口長40 m”的導(dǎo)流墩方案。但該工程綜合考慮性價比、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等其他方面后最終仍采用了“進(jìn)口長10 m+出口長30 m”的導(dǎo)流墩方案。

5 結(jié) 論

（1） 渡槽出口中墩墩尾水流急劇繞流出現(xiàn)“卡門渦街”現(xiàn)象是造成槽內(nèi)水位異常波動的根源，而由其造成的過閘流量周期性變化又加劇了這種現(xiàn)象，形成相互激勵的共振過程，放大了槽內(nèi)水位的波動。

（2） 三角形導(dǎo)流墩可完全消除出口“卡門渦街”現(xiàn)象，解決槽內(nèi)水面異常波動的主要問題，流態(tài)雖然略差于使用內(nèi)外側(cè)組合、等高扭面、流線型等體型導(dǎo)流墩，但從工程量、施工難度等方面綜合考慮，仍推薦采用該方案。

（3） 從水流平順度、水頭損失等各方面比較，“進(jìn)口長15 m+出口長40 m”的導(dǎo)流墩尺寸方案流態(tài)最優(yōu)，但從工程性價比、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等其他方面綜合考慮，最終仍推薦采用“進(jìn)口長10 m+出口長30 m”的導(dǎo)流墩方案。

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（編輯：胡旭東）

Causal analysis on water level abnormal fluctuation in aqueduct and improvement measures：case

of Lihe aqueduct in Middle Route of South to North Water Transfer Project

QU Zhigang，LI Zhengpeng

（Henan Water & Power Engineering Consulting CO.，Ltd.，Zhengzhou 450008，China）

Abstract：

The Middle Route of South to North Water Diversion Project officially started large-flow water diversion in 2020.During this period，it was found that the flow pattern at inlets and exits of some conveyance aqueduct were disordered，the water level in the aqueduct fluctuated abnormally，and the diversion capacity was reduced.Taking Lihe aqueduct as the research object，high precision three-dimensional hydrodynamic numerical model was used to simulate the current flow abnormal phenomenon in Lihe aqueduct.The middle pier at aqueduct exit was relatively flat，which caused water flow sharply around and the Carmen vortex street phenomenon appeared.Pier tail flow swang periodicly causing periodic change of the two streams flow，which in turn increased the swing of the pier tail flow.The two flows motivated each other to form resonance，and enlarged the abnormal fluctuation of the water level.Combined with the actual engineering，different kinds of feasible flow regime optimization engineering measures were put forward.After numerical simualtion analysis，the most suitable engineering measures for the Lihe aqueduct were obtained，namely constructing triangular diversion piers at the upstream and downstream of the middle pier at the aqueduct entrance and exit.Considering the engineering cost performance and structural stability，it is recommended to adopt the size scheme of inlet length 10 m+outlet length 30 m.The research results can provide a reference for the flow regime improvement in the aqueduct of similar water diversion projects.

Key words：

conveyance aqueduct;abnormal fluctuation of water level;carmen vortex street;numerical simulation;flow pattern optimization;Middle Route of South to North Water Transfer Project3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2