深水明渠特殊施工圍堰繞流水力特性研究

范聰喆，劉明瀟，甄映紅，武娟娟，孫東坡

（1.華北水利水電大學水利學院，鄭州450046；2.凱里學院建工學院，貴州凱里556011）

1 問題的提出

目前全世界范圍內(nèi)水資源分布不均衡，導致大量跨流域長距離調(diào)水工程建設(shè)；輸水渠道往往流量較大、水深較大、供水保證率要求較高。而這些渠道通常具有線路長、地質(zhì)條件復雜、工程規(guī)模大、交叉建筑物多、工程維修任務(wù)重等特點。例如有些深挖方渠段，地下水的滲透壓力大，汛期降大雨若排水不暢，就可能產(chǎn)生很大的滲透壓力，引起渠道邊坡襯砌板的破壞。對于這些大型深水渠道，如何進行不停水維修，是一個十分困難的工程科學問題。

目前國內(nèi)已有一些渠道襯砌板的水下修復施工技術(shù)，如孫霞提出環(huán)氧樹脂砂漿水下裂縫修復技術(shù)［1］，通過膠黏劑與混凝土強度的疊加，對輸水渠道水下裂縫具有較好的修復效果；潘珂等采用丙乳硅粉鋼纖維混凝土砂漿修復技術(shù)［2］，通過改善混凝土離析和泌水的性能，對渠道水位臨界面破壞進行修復處理。葛春輝提出渠道底板采用方管推進技術(shù)堵漏技術(shù)［3］，在渠道底板下，頂進一個方形鋼板管，在其方管頂部開孔，既可順著漏水的方向邊頂進、邊挖土；又能邊觀察、邊清理和查找漏點。郝清華提出了水下沉箱技術(shù)，采用氣壓式硅膠止水和可充氣充水式水箱作為浮力控制結(jié)構(gòu)，襯砌板修復提供了有利的干地施工作業(yè)面［4］。美國也有采用鋪設(shè)聚氯乙烯薄膜的方式［5］，將鋪砌設(shè)備懸掛在跨河桁架上運行，以達到不停水維護科切拉運河2.4 km渠道邊坡的目的。

為了滿足不停水情況下開展深水渠道邊坡修復任務(wù)，有人提出在渠道需要維修的一側(cè)邊坡設(shè)置輕型鋼結(jié)構(gòu)的“圍墻”式圍堰，形成與渠道水體既相對連通又相對封閉的靜水施工環(huán)境。這樣的鋼圍堰既容易平衡深水渠道的動水壓力，又為渠道邊坡修復提供一個內(nèi)靜外動的維修施工環(huán)境，較好解決了大型渠道輸水狀態(tài)下的邊坡修復施工難題。輕型鋼圍堰自然會對輸水渠流場產(chǎn)生一定的阻礙作用［6，7］，自身的穩(wěn)定也需要考慮繞流阻力；要厘清鋼圍堰對渠道流場的影響，優(yōu)化體型，就很有必要對鋼圍堰的水動力特性開展研究。

2 研究對象與研究方法

2.1 水中鋼圍堰的基本體型與結(jié)構(gòu)

為了具有良好的水力邊界特性，鋼圍堰采用上游迎流段逐漸擴展、中部平行、尾部鈍角折轉(zhuǎn)的平面布置形式；圖1為某渠道左岸邊坡修復設(shè)計的平面布置，圍堰采用三面圍墻，順水流方向總長97 m，橫向范圍達到左岸坡腳外3.7 m，鋼圍堰高7.5 m，滿足最高輸水位的擋水需求。鋼圍堰所在渠段上部是具有30°收縮角的迎流漸縮段，長30 m；中部是60 m 長的順流縮窄段，下部為長7 m 的擴散段。利用鋼圍堰對渠道維修區(qū)域進行局部封閉，形成內(nèi)靜外動的相對封閉施工環(huán)境（鋼圍堰無止水要求，內(nèi)外水相對連通）。圖2是鋼圍堰的單元骨架，抵抗水流沖擊和局部壅水造成的壓力；兩立柱間利用導向槽可以嵌入鋼模面板，形成連續(xù)的鋼圍墻。

2.2 研究方法

本文擬建立明渠水流三維水動力數(shù)學模型，采用FLOW3D三維紊流模型模擬計算鋼圍堰體型布置對明渠流場的影響；分析對鋼圍堰上游輸水明渠的壅水影響，下游回流區(qū)影響，鋼圍堰影響區(qū)域的流速分布及流態(tài)，以及鋼圍堰壁面的動水壓強分布，分析明渠水流對鋼圍堰的作用力；通過對比分析，篩選出對渠道正常輸水影響小且穩(wěn)定性強的鋼圍堰體型。

3 三維水動力模型的建立與驗證

3.1 流動控制方程與紊流模型

流體動力學計算（CFD）的實質(zhì)是在計算域內(nèi)對水流控制方程進行離散迭代求解，獲得計算域內(nèi)的水動力因子，數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)為流動控制方程［8-10］。

（1）質(zhì)量守恒方程。

式中：xi，ui和ρ分別表示在i方向上的空間坐標、流體流速和流體密度。

（2）動量平衡方程。

式中：p，fi，μi分別表示平均壓強、i方向上的重力分量和i方向上的流體黏性；是由Boussinesq假設(shè)推得的紊流雷諾應(yīng)力，采用計算精度和穩(wěn)定性較好的Realizablek-ε方程［11］，可用公式（3）表示：

對于不可壓縮明渠流，由于在鋼圍堰區(qū)水流會有收縮、擴散引起的邊界層分離現(xiàn)象，因此在選用紊流模型時，要考慮模擬局部回流與漩渦，采用Realizablek-ε模型。。

3.2 水動力模型的建立

3.2.1 數(shù)值模擬背景及邊界范圍

數(shù)值模擬區(qū)域按兩種流場邊界狀態(tài)考慮，①無工程正常輸水狀態(tài)：作為與有鋼圍堰影響的對比背景流場；②維修輸水狀態(tài)：渠道一側(cè)邊坡設(shè)置鋼圍堰，體型及尺寸見2.1。模擬范圍包括工程影響范圍內(nèi)的渠道與新加鋼圍堰臨水邊界，上游明渠過渡段長240 m，漸縮段長30 m，縮窄段長60 m，擴散段長7 m，下游明渠恢復段長223 m，模擬總長560 m。模擬渠道邊界、鋼圍堰形態(tài)及尺寸見圖3。

3.2.2 模擬邊界及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)原型觀測資料、研究目的并結(jié)合渠道情況，確定邊界條件：上游（進口端X-Min）邊界設(shè)為流速邊界，設(shè)定進口水深為7.1 m，流速為1 m/s（由渠道實測流量和水深確定），維持上游連續(xù)穩(wěn)定水流條件。下游（出口斷面X-Max）邊界設(shè)為壓力邊界，出口水深也為7.1 m，設(shè)置為靜水定壓力，避免因末端流速過大導致流場水位降低，影響模擬計算結(jié)果；模型的左右側(cè)邊界（Y-Max 方向，Y-Min 方向）和下邊界（Z-Min）均設(shè)為渠道固璧或鋼圍擋邊界，固體壁面邊界條件符合無滑移條件；模擬區(qū)頂部Z-Max設(shè)為壓力邊界，壓力為一個大氣壓，相對壓強p0=0。

結(jié)合實際情況及模擬對象考慮確定相關(guān)參數(shù)，維修期水溫選擇20 ℃，重力加速度為Z軸負方向，取-9.8 kg/s2，無量綱紊動強度取0.02，糙率取0.014；在水流狀態(tài)趨于穩(wěn)定后開始輸出模擬數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出時間間隔設(shè)定為10 s。

3.2.3 模型網(wǎng)格剖分及壁面/自由面處理

采用FAVOR 技術(shù)進行網(wǎng)格處理，可在結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格內(nèi)部定義獨立復雜的幾何體，精細模擬復雜結(jié)構(gòu)物。根據(jù)本次模擬的邊界特點，計算域采用均勻的立方體網(wǎng)格進行剖分，三維坐標系中沿坐標軸正方向最大尺寸是長560 m、寬56 m 和高9 m，網(wǎng)格系統(tǒng)涵蓋模擬渠道與鋼圍擋邊界；網(wǎng)格單元尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m，系統(tǒng)共有2 257 920 個網(wǎng)格單元。經(jīng)過現(xiàn)場觀測和簡單試算表明，渠道右側(cè)邊界平順，流態(tài)基本與無工程情況相近；而左側(cè)鋼圍擋所在區(qū)域受邊界改變影響，流態(tài)變化劇烈。為了提高在邊界急劇變化區(qū)域的模擬計算精度，在鋼圍堰臨水邊界附近區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格設(shè)置見圖4［12，13］。

本次數(shù)值模擬的壁面處理采用引入壁面函數(shù)法，計算條件是要求第一層網(wǎng)格節(jié)點必須配置在紊流充分發(fā)展區(qū)域，本次研究的底板和兩側(cè)的邊壁網(wǎng)格y+均在70 以內(nèi)。考慮到本次模擬的明渠流場邊界變化較大，在增設(shè)鋼圍堰后自由面會存在波動，故自由面模擬采用經(jīng)過改進的VOF 方法，能夠更好、更精確計算網(wǎng)格內(nèi)運動流體百分比，準確體現(xiàn)自由面特征［14］。

3.3 模型驗證

為驗證數(shù)值模擬計算的準確性，進行了數(shù)值模擬計算和物理模型試驗的水面線數(shù)據(jù)對比，物理模型見圖5。經(jīng)阻力參數(shù)調(diào)試和進口邊界條件的改善，選用合適的鋼圍堰糙率及渠道糙率，模擬計算水位結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本符合，水面線對比見圖6，模擬水面線與實測水面線變化趨勢整體一致，在鋼圍堰區(qū)和上下游水位吻合度較高，表明研究河段三維流速場的模擬是可信的；鋼圍堰擴散段局部區(qū)域水位略高，是由于回流區(qū)渦旋強烈，三維紊動性強所致，局部水位偏差不超過3 cm。

4 深水明渠施工圍堰的流場特征

4.1 流場水位分析

與原型觀測的輸水明渠現(xiàn)象一致，渠道水位沿程下降，但鋼圍堰的存在使其上游產(chǎn)生一段壅水，壅水高度約0.10～0.12 m，在收縮段水位持續(xù)降低。在收縮段末段轉(zhuǎn)角處，水流分離引起局部水面突跌（凹陷）；在縮窄段水位繼續(xù)下降，但下降速率變緩；出縮窄段后，主流水面線又略有抬升，但左岸擴散段回流區(qū)的水位較低，形成橫向水位差。然后繼續(xù)下降，逐漸恢復自然水面比降，鋼圍堰附近的平面水位分布見圖7；為便于對比，3種特征流量的渠道中軸線沿程水位變化見圖8。

4.2 流場流速分布

根據(jù)模擬給出的流速分布云圖［見圖9（a）］可看出，由于鋼圍堰的存在，使流場特性發(fā)生很大變化：鋼圍堰縮窄段過水斷面的減小使流速增大，此區(qū)的表面流速在2.2～2.5 m/s 左右，是無鋼圍堰時的流速的1.58 倍，流速增加近57.6%。出鋼圍堰后水流逐漸擴散，大約100 m后流速分布逐漸恢復到無干擾狀態(tài)；流速場具有中軸線流速大，沿橫向向兩側(cè)逐漸減小的流速分布特征，主流流速約1.8 m/s，邊岸流速0.4～0.8 m/s。在鋼圍堰上游邊岸有小范圍回流區(qū)，流速較低，僅0.1～0.4 m/s。另外在鋼圍堰下游左岸有大范圍回流區(qū)，主回流區(qū)長度約50～60 m，回流區(qū)邊岸流速僅0.2～0.45 m/s。全流場流速最高區(qū)域在鋼圍堰收縮段末端轉(zhuǎn)角處，那里水流形成局部凹陷；局部比降大、流速高，最大流速接近2.7 m/s。模擬流場沿程各斷面的流速分布［圖9（b）］，反映出在鋼圍堰上段（收縮段）主流開始向右岸偏斜，出縮窄段后水流復又擴散。左起第2 和5 斷面都顯示出明顯的回流區(qū)的流線變化特點和流速分布特征。

圖10中分別給出了鋼圍堰縮窄段（x=270 m 斷面）、回流區(qū)擴散段（x=367 m 斷面）與下游穩(wěn)定斷面（x=527 m 斷面）的流速分布。從各分布圖可以看出，鋼圍堰的存在對流速分布的影響，進入鋼圍堰縮窄段左側(cè)流速接近2.4 m/s；鋼圍堰下游擴散段，可以明顯看到回流區(qū)內(nèi)流速與主流區(qū)流速的差異，主流逐漸向渠道中軸線恢復，主流表面流速約1.8 m/s，回流區(qū)流速0.1～0.4 m/s；在下游穩(wěn)定區(qū)，主流已經(jīng)基本居中。

圖11給出在流量260 m3/s 條件下，兩個特征斷面（y/H=0.2）縱向流速的橫向分布，可以看到進入鋼圍堰影響區(qū)后（x=240 m斷面），主流流速逐漸向右偏移；在x=270 m斷面后，有工程流速比無工程增加1.3～1.5 倍；在x=367 m 斷面，依然可以看到回流區(qū)存在對流速分布的影響，回流區(qū)的水動力特性有助于截留水中污染物，防止施工期水質(zhì)污染。

4.3 流場流態(tài)及水動力特征分析

根據(jù)數(shù)值模擬流速場和水深場的計算成果，可進一步求得鋼圍堰渠段流場其他水動力特征值。圖12給出了在260 m3/s的水流條件下，模擬鋼圍堰渠段的紊動能分布（紊動動能ε=u?2/2，u?為脈動流速）。紊動能表征了水流的渦旋混摻強度，可由圖看出，紊動能比較強烈的區(qū)域集中在鋼圍堰縮窄段進口的左側(cè)水面凹陷區(qū)和鋼圍堰下游回流區(qū)。在圖12白色虛線環(huán)所注部分渦旋強烈，紊動能耗散集中；從圖13中可以從看出，紊動能具有從下部（y/H=0.2）到上部（y/H=0.6）漸增的垂向分布特征，鋼圍堰下游回流區(qū)上層的紊動能耗散明顯比下層強烈。

圖14給出在流量260 m3/s 的條件下，模擬鋼圍堰渠段的流場流線圖，可直觀反映水流經(jīng)過鋼圍堰區(qū)域時的變化：上游流線偏移收縮，下游流線擴散，回流區(qū)流線體現(xiàn)了大范圍回流區(qū)內(nèi)存在多個小型環(huán)流的復雜流態(tài)特征。

作者還進行了鋼圍堰的概化模型試驗，根據(jù)獲取的流場照片（見圖15）可看到實際鋼圍堰區(qū)過流流態(tài)與數(shù)模成果相近，主流流速約1.8 ～2.05 m/s，圍堰后部回流區(qū)影響范圍長100～120 m，回流區(qū)流速0.1～0.45 m/s，與模擬成果也基本一致。

5 結(jié) 論

（1）針對深水明渠邊坡不停水修復專用鋼圍堰的特殊邊界條件，采用三維水動力數(shù)值模擬方法，對輸水條件下鋼圍堰區(qū)流場水動力特性進行了分析；同時也采用概化物理模型試驗，進行了模型驗證與比對分析。綜合分析表明，所建數(shù)學模型對流場的仿真模擬是可信的。

（2）無鋼圍堰時輸水明渠基本為均勻流，鋼圍堰類似無坎寬頂堰，約束了該段水流；形成了圍擋區(qū)上游流線收縮、壅水，中部縮窄過流，下游逐漸擴散且左岸形成摩擦回流區(qū)的基本流動特征。通過水深場變化分析、流速分布空間變化分析，總體看圍堰局部壅水范圍40 m 左右，引起的水頭損失約0.11 m，雖然水流結(jié)構(gòu)發(fā)生了收縮與擴散的多方面調(diào)整，但鋼圍堰區(qū)過流比較適順，圍堰總體對渠道過流能力影響不大。

（3）設(shè)計條件時，鋼圍堰影響圍堰區(qū)上游壅水Δz=0.12～0.18 m；縮窄段水深H=7.11～7.12 m，垂線平均流速v=2.1 m/s，表面流速um=2.2～2.6 m/s，為無鋼圍堰時流速的1.58 倍；下游水流擴散區(qū)主流流速約1.8 m/s，鋼圍堰后部（左側(cè)）回流區(qū)影響范圍長100～120 m，回流區(qū)流速0.1～0.4 m/s。

（4）在鋼圍堰下游左岸有回流區(qū)，水流結(jié)構(gòu)急劇變化，紊動能集中消耗；回流區(qū)最大湍動能損耗是鋼圍堰邊界湍動能損耗的5～7倍，表層湍動能大于底層。回流區(qū)中次生多個小環(huán)流，回流區(qū)的卷吸作用有利于截留施工漂浮物。 □