南水北調中線輸水渡槽流態優化原型觀測試驗評價

馬山玉，李釗，屈志剛，樊夢灑，洪興

（1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.中國南水北調集團中線有限公司河南分公司，河南 鄭州 450016）

1 工程概況

澧河渡槽是南水北調中線干線工程跨越澧河的渠河交叉建筑物，位于河南省平頂山市葉縣境內。設計輸水流量320 m3/s，加大流量380 m3/s。渡槽采用雙槽布置形式，渡槽總長736 m，渡槽為矩形截面，寬10 m，設計水深6.13 m、加大水深6.83 m，渡槽頂部設拉桿橫梁，底部距離加大水位0.10 m。渡槽進、出口閘室中隔墩厚度5 m，進口中隔墩端部倒角半徑1.80 m，出口中隔墩尾部倒角1.30 m；渡槽上、下游采用漸變段與梯形總干渠連接。

2020 年4 月末，中線工程開啟運行以來第一次大流量輸水，在此期間，澧河渡槽、十二里河渡槽等多座渡槽出現流態紊亂現象，槽內水位異常波動，渡槽出口出現明顯的卡門渦街現象，一定程度上制約了調水能力，影響了工程運行安全和效益發揮，亟須研究流態紊亂的原因并提出流態優化工程措施。

再參考南京三叉河河口閘過閘水流流態改善措施、南水北調東線江都泵站Y 形導流墩改造方案和南水北調中線工程十二里河渡槽流態優化措施的基礎上，以澧河渡槽為典型，基于高精度三維水動力學數值模型開展了輸水渡槽流態分析研究，基于3D 打印模型和水工模型開展了流態定性研究，推薦在渡槽進、出口新建三角形導流墩，工程措施實施后可節省水頭損失、改善渡槽及出口流態、提高流速、增大流量和確保渡槽的過流能力。結合研究成果，設計了導流墩結構和施工方案，在動水作業環境下，將分層、分段預制的裝配式薄壁空腔混凝土墩體，在水面分段安裝后下沉就位，分別完成了澧河渡槽出口30 m長導流墩和進口10+1 m長均流導流墩的施工。

2 原型觀測

為了驗證數值模擬和物模研究成果的準確性、可靠性，便于將流態優化的關鍵技術和研究成果在其他流態紊亂的渡槽和倒虹吸推廣，指導新建渡槽工程設計和施工，以澧河渡槽導流墩實施過程為原型開展觀測試驗研究。

原型觀測試驗以專項觀測和常態觀測兩種方式開展，專項觀測以出口導流墩實施前、出口導流墩實施過程、出口導流墩實施完畢后加大流量輸水、進口導流墩實施后加大流量輸水等4 個時期，對渡槽的上游、進口、出口和下游的水位、波幅等開展原型觀測研究；常態觀測包括建筑物流量、進口節制閘上下游水位、節制閘開度等。采用無人機、相機等拍攝視頻和照片，觀察記錄流態。

2.1 專項觀測設施

針對數據自動采集、精度要求高等特點，研制了激光式自動測量水位計，分別布置在渡槽上游500 m 斷面、進口漸變段起點斷面、進口漸變段終點斷面、渡槽進口過渡段終點斷面、槽身段中點斷面、渡槽出口過渡段起點斷面、出口漸變段起點斷面、出口漸變段終點斷面、下游500 m渠道斷面9個觀測斷面。

2.2 常規觀測設施

中線工程各輸水建筑物在閘室段均設有1 套自動流量和水位監測設備，常年24 h 運行，每半小時自動記錄1 次水情數據并入庫，包括流量、節制閘上游水位和節制閘下游水位、各節制閘門開度。建筑物進出口各布設有1 根水尺，在大流量輸水期間，專人定期人工水情監測。這些數據直接采用，作為原型觀測的常規數據。

2.3 原型觀測關鍵時間節點

2021 年4 月底，中線工程加大入渠流量，澧河渡槽流量提高到320 m3/s 的量級，澧河渡槽進口節制閘全開，除創造加大流量輸水條件外，原型觀測期間，澧河渡槽進口節制閘門均為全開狀態。

澧河渡槽出口導流墩共10 段，每段長度1.80 ～6.00 m 不等，從5 月3 日開始第1段安裝至5 月24 日完成第10 段安裝施工，平均2 d 安裝一段。6 月8-10 日，不增加入渠流量，利用澧河渡槽上游渠道蓄水，調節下游澎河節制閘、涌高澧河渡槽下游水位至加大水位，創造加大流量的條件，于6 月10 日9時，開始大流量輸水驗證。

進口導流墩共4段，長10+1 m，從7 月5 日開始至7 月24日完成安裝施工。為驗證進口導流墩實施后的流態改善效果，采用同6 月10 日的加大流量調度方案，于11月2 日再次啟動大流量輸水驗證。

2.4 流態和水位觀測

為觀測對比導流墩實施前后，渡槽內、進出口流態的變化，采用無人機、相機等攝像設備，通過照片和視頻記錄水流狀態，采用人工實測水位波動數據。

3 原型觀測試驗成果

專項觀測設施從2021 年4 月15 日至2021 年11 月3 日連續監測形成水位數據，時間間距15 min，總觀測記錄數據18 923組。為便于與試驗期間水情專項觀測結果數據相互校驗，此次特截取并整理了相同時期的常態化水情監測數據，觀測記錄數據9 670組。同時整理了2020 年加大流量期間的常態化水情數據，用于對比加大流量狀態下導流墩實施的效果。

3.1 專項觀察水位數據

根據水動力學規律，渡槽進口前500 m、渡槽進口、渡槽出口、渡槽出口后500 m 這4 個斷面位置的觀測水位存在一定的邏輯關系，可以此驗證監測數據的準確性。分別為：①當渡槽節制閘全開時，渡槽進口上游渠道和出口下游渠道為均勻流狀態，這兩段渠道上下游水位坡度應接近于渠道縱坡，兩者水位之差應接近于渠底高差。②節制閘全開狀態下，流量越大各斷面位置水位越高。

將原型觀察關鍵時期的數據整理篩選，按日平均、半小時平均，統計出典型原型觀察數據。

3.2 原型觀察數據可靠性分析

從典型時期數據對比可知，在節制閘全開的關鍵時期，渡槽進口前500 m平均水位大于渡槽進口平均水位，平均水位差1.76×10-2m，水面平均坡度1/28 380，與設計渠底高差0.02 m和設計渠底縱坡1/25 000 接近。

通過對比出口導流墩施工期和進口導流墩施工期流量、水位可知，出口導流墩施工期平均流量318.60 m3/s，較進口導流墩施工期平均流量312.70 m3/s大，相應時期進口前500 m和進口水位也較大，平均水位分別高出0.02 m和0.02 m。

綜上，選取典型觀測期監測數據符合水動力學規律，邏輯合理，數據可靠。

4 原型觀察試驗成果評價

輸水渡槽流態優化原型觀察試驗，從流態改善程度、水頭損失、槽內水位波動、過流能力等四部分開展成果評價。

4.1 流態改善程度

為充分對比出口導流墩實施前后渡槽出口流態差異，選取大、小兩種不同流量下典型時期所觀測的出口流態進行對比，分別為：出口導流墩實施前大流量輸水典型期（2020 年6 月11 日18：00，流量350 m3/s）和出口導流墩實施后大流量輸水試驗期（2021 年6月10日11：45，流量378 m3/s；2021年6 月10 日14：00，流量352 m3/s）進行對比，渡槽出口流態對比見圖1。渡槽出口及槽內流態紊亂、水位異常波動現象消除，渡槽出口高速水流向下游推進約400 m。

圖1 出口導流墩實施前后渡槽出口流態對比圖

4.2 水頭損失對比

將常態化水情監測數據與專項水情監測數據結合分析，每日平均流量由自動流量觀測儀器每半小時1條、每日48條流量監測數據取平均值得到；每日上下游水位由專項水情觀測儀器每15 min 1 條、每日96 條流量監測數據取平均值得到。考慮到渡槽進出口流態并不穩定且存在水上施工平臺的干擾，渡槽水頭損失除采用進出口水位相減計算外，還同時采用上下游500 處水位相減計算。為了對比渡槽在不同流量下的水頭損失，特引入單位流量消耗水頭的概念，即水頭損失/流量，單位為mm/（m3/s）。出口導流墩實施前后典型時期原型觀測數據分析見表1，以進出口水位差計算水頭損失的單位流量消耗水頭曲線見圖2。

表1 出口導流墩實施前后典型時期原型觀測數據分析表

圖2 單位流量消耗水頭曲線圖

4.3 水位波動對比

2020 年大流量輸水期間，流量小于300 m3/s 時，槽內水位波動幅度在0.10 m 以內；當流量達到設計流量320 m3/s 時，槽內水位波動幅度迅速增大，達到0.20～0.40 m；當流量超過330 m3/s 時，槽內水體開始拍打橫梁，并因橫梁阻水出現局部溢水現象，槽內水位波動幅度達到0.50～0.70 m；當流量達到350 m3/s時，漫槽現象頻發，槽內水位波動幅度在1 m 以上。

2021年6月10日大流量輸水試驗期間，渡槽流量由290 m3/s逐步增大至346 m3/s期間，渡槽由輸水正常逐步演變為局部拍打橫梁，槽內水位波動約0.10 m，局部位置可達到0.20 m；流量由346 m3/s 逐步增大至380 m3/s 時，雖然過槽流量逐步增大，但下游渠道流速也開始逐步加速，渡槽內水流反而逐步變得平順，拍打橫梁頻次、范圍和幅度降低，槽內水位波動也由0.10～0.20 m，逐步降低到0.10 m以內；流量維持在370 m3/s 以上時，下游渠道已經過渡到正常流速，渡槽整體流態平穩，右槽未再出現拍打橫梁現象，左槽也僅在局部位置偶爾出現輕微拍打橫梁現象，槽內水位波動一直維持在0.10 m以內。2021年11月2日水位波動情況與6 月2 日近似，不再贅述。

4.4 過流能力對比

2020年大流量輸水期間，流量超過331 m3/s 時，槽內水體開始大范圍拍打橫梁，因橫梁阻水出現局部溢水，需要開啟退水閘、增設防濺板確保渡槽輸水安全，可認為導流墩實施前，渡槽最大過流能力約為331 m3/s。①出口導流墩實施后過流能力，2021年6 月10 日大流量輸水試驗，流量從316.50 m3/s 逐步增加到峰值流量378 m3/s，渡槽內水位波動在約5～7 cm，水位距渡槽橫梁底仍有約0.15 m凈空。此次試驗流量360 m3/s以上持續約2 h，370 m3/s以上持續約0.30 h，以378 m3/s 過流能力計算，出口導流墩實施后渡槽過流能力提高了14.80%。②進口導流墩實施后過流能力2021年11 月2 日大流量輸水試驗，渡槽流量從291 m3/s 逐步增加到峰值385 m3/s，此時渡槽內水位波動約5 cm，左槽水位距橫梁底有約0.10 m凈空，右槽水位距橫梁底有約0.13 m凈空。渡槽流量360 m3/s以上持續約4 h，370 m3/s以上持續約2 h，380 m3/s以上持續約0.50 h，最高過槽流量385 m3/s。進出口導流墩全部實施后，相比渡槽原狀過流能力提高了16.30%。

5 結語

①澧河渡槽出口導流墩實施后，進出口流態顯著改善；進口導流墩實施后，并未明顯影響槽身和出口流態，但使進口水流更加平順。②出口導流墩實施過程中，水頭損失逐步降低，與數模分析的不同長度導流墩水頭損失趨勢一致。出口實施完畢后，渡槽水頭損失明顯降低；進口導流墩實施后，渡槽水頭損失進一步降低。③出口導流墩實施后，基本消除了大流量輸水條件下槽內水位異常波動；進口導流墩實施后，并未對槽內水位波動產生明顯影響。④出口導流墩實施后，渡槽過流能力大幅提升；進口導流墩實施后，渡槽過流能力再次小幅提高。

綜上，原型觀測方法可行，數據可靠，達到觀測試驗分析預期目標。導流墩實施前后原型觀測的流態、水位波動情況、水頭損失和過流能力與數值模型計算成果一致，數值模擬輸水建筑物流態紊亂的方法和工程解決措施技術可行，可在類似項目中推廣應用。