水利樞紐排水工程中砂礫石層導流技術的設計研究

張科亮

(臨沂市河東區水務局，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量受人為因素、環境因素、技術因素等多種因素的影響，其中導流技術就是水利樞紐排水工程中最重要的組成部分，成功的導流技術施工就要把可能造成影響的因素控制在合理的范圍內，并且還要與其他相關施工技術相結合使用。整個水利樞紐排水工程的施工周期和施工質量等都受導流技術施工的影響。如果導流技術施工方案不合理，那么整個工程的可實施性和成本等方面都會受到巨大影響，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鍵就是導流技術。

為此，制定合理的砂礫石層導流技術施工方案，可以讓整個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，必須借助導流技術，才能實現排水工程的順利實施。基于上述分析，本文設計一個水利樞紐排水工程砂礫石層導流技術方案。

1 工程條件

1.1 概 況

目前的水利樞紐排水導流技術工程大都在河流干流進行，工程的主要任務就是幫助航運、改善目前的水環境，以發電和反調為基礎來提高灌溉面積[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)，并且要在廠房左側給二線船閘留出一個位置，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實際情況來決定。工作閘門一般都采用露頂式平板鋼閘門，方便實時觀察工程進度。船閘要采用3級船閘，船舶噸位按照1 000 t來設計。最小不可以低于900 t。

電站采用河床式廠房形式，建于左岸，電站右側要緊挨著泄水閘，電站左側要和門庫段相接。另外，電站要安裝4臺入流式燈泡機組，總燈泡機組容量約為58 MW。壩頂高程和壩頂寬依據實際情況讓技術工人進行設計，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地質都相同，一般的壩址區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。含泥中細砂、含礫中粗砂、礫質中粗砂等組成砂層，厚度在8.0～22.0 m之間，最厚可達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透水，且厚度偏大。一般河流地區都呈U形分布。

在開展工程之前要注意地區的暴雨情況，判斷總結工程實施地區的暴雨特點。暴雨直接可以造成洪水的發生，準確掌握洪水發生時間，避免給工程帶來影響。另外，風速也會影響工程的進展，要掌握施工地區的風向和風速并加以利用。

2 施工導流技術

2.1 導流標準

在前池中進行導流[2-6]，可以大幅度減小前池的自然擴散角，并改變水流的擴散角，讓其比前池的擴散角小，這樣就可以滿足《泵站設計規范》(GB 50265-2010)對施工設計的要求，同時滿足這一項要求也是導流的標準。讓前池中的所有水流都可以順暢地向下流，各個位置水流的流速都相同，池內不再存在漩渦、回流等情況，讓前池中的水流橫向速度在各個位置都相近，使進入流道的水流在各個位置的流速和壓力都趨于平穩，提高水泵的性能等都是導流的標準。導流最重要的就是優化前池，其中優化前池水力特性的標準是：①除去或削弱前池的回流和漩渦，從而達到降低水力損失和改善泵的進流條件；②對前池流速的豎向分布進行改變，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象，給各泵提供充沛的進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，改善多泵運行時各泵配水的均勻性，提高泵站的工作效率。

圖1為符合導流標準的前池表面流態圖。只要前池符合導流標準，后續的施工就可以順利實施。

圖1 前池表面流態圖

2.2 導流方案

根據Reynolds理論，導流方案主要有應力導流和渦黏導流兩種。而渦黏導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準k-s方案，即分別引入關于湍動能k和耗散率s的方案。

標準k-s方案是典型的雙導流方案，也是目前應用最廣泛的導流方案。其工作內容見圖2。

圖2 標準k-s方案

標準k-s方案在導流動能方程的基礎上，再引入一個關于導流動能耗散率s方程，便形成了k-s雙導流方案，稱為標準k-s導流方案。其中,表示導流動能耗散率s被定義為:

(1)

式中：ul為耗散率。

在標準k-s方案中[7-9]，k和s是兩個基本未知量，與之對應的導流方程為:

(2)

其中：Gk為由平均速度引起的導流動能的產生項；Gb為由于浮力引起的導流動能產生項，對于不可抵御流Gb=0;YM為可抵御流中脈動擴張的貢獻，對于不抵御流YM=0。

在此基礎上，結合RNG-6方案進行設計，從目前的N-S方程出發，運用一種“reydbution gxbi”的數學方法對其加以推導。其過程見圖3。

圖3 Realizable k-s方案工作流程

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

這些特點使得 RNG-6方案比標準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因為平均應聲率特別大而制造的負的正壓力。為了讓導流方案滿足導流物理定律的所有要求，就要給正壓力創造一個數學約束[10-13]，為了創造這種約束，就要改變導流黏連度計算式中的系數G，不讓它和常數相結合，讓其和應變率相結合進行計算。這樣就構成了Realizable k-s導流方案。

Realizable k-s導流方案可以精準預測出平板型和圓柱型噴射流體的分叉速率，它在應對旋扭流動、強逆壓梯型的斷水層流動、流動分區和多次流方面的表現都非常符合要求。

2.3 施工技術設計

為了全面分析砂礫石層水流的流態，不僅要測量表面流態量，還需要對過流斷面流速的典型例子進行量測。根據泵站進水形式的特點和水泵的運行情況，量測典型過流斷面的流速分布時，要先進行測點布置。首先確定2個施測橫斷面(1～5層斷面)和28個施測縱斷面(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置5層測點((1)～(5)層)。把進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，然后依照順時針方向為正，逆時針方向為負的原則[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

在分析總結出砂礫石層水流的流態之后，以上述圖為基礎結合實際情況建造泵站，值得注意的是要盡量設置不少于3個流道進口，方便水流向外流。泵站不可以距離流道進口過遠，過遠不方便導流，距離應在2～8 m之間。利用泵站就可以實現對水利樞紐排水工程砂礫石層的導流，由此完成水利樞紐排水工程砂礫石層導流技術的設計。

3 實 驗

為了驗證所設計的水利樞紐排水工程砂礫石層導流技術的有效性，進行實驗對比。主要對比應用此次研究的導流技術后的耗費成本以及效率，并為了保證實驗結果更具說明性，將傳統技術與所研究技術進行對比，具體內容如下。

3.1 耗費成本對比

對比應用兩種導流技術后，所耗費的成本對比結果見圖6。

圖6 耗費成本對比

通過分析圖6能夠發現，此次研究的水利樞紐排水工程砂礫石層導流技術所耗費的成本較少，原因是此次研究的導流技術合理制定了施工程序，并能夠針對施工地的情況，合理設定導流技術。而傳統的導流技術所耗費的成本較多，較此次研究的導流技術耗費成本多。

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流技術與傳統技術的施工效率，其對比結果見圖7。

圖7 效率對比

分析圖7發現，所設計的導流技術在工作過程中，耗費的時間較少，而傳統技術耗費時間較多，由此可以證明此次研究的技術較傳統技術效率高。

4 結 語

在水利樞紐排水工程中，對導流技術加以合理運用非常重要。導流技術施工的主要內容就是確定砂礫石層的水流并建立泵站、選擇合適的導流方案、嚴格遵守導流標準以及分析排水地區的實際情況。其中，最重要的就是根據技術人員測量得到的數據選擇合適的導流方案。導流技術的應用質量會直接影響整個水利樞紐排水工程的使用功能。所以，一定要以實際情況為基礎，結合導流技術，制定出合理的導流技術施工方案，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。