跌水跌井設(shè)計(jì)方案復(fù)核及優(yōu)化措施

顏其林，裴祖興，王 成，韓 雷

(安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

引江濟(jì)淮工程溝通長江、淮河兩大水系，是一項(xiàng)跨流域、跨區(qū)域重大戰(zhàn)略性水資源配置和綜合利用工程。工程建設(shè)任務(wù)以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運(yùn)為主，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境等綜合利用。工程為Ⅰ等大(1)型工程，引江規(guī)模為300m3/s，引江濟(jì)淮工程(安徽段)自南向北分為引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送三大段。工程建設(shè)內(nèi)容主要包括：引江濟(jì)巢、江淮溝通段的輸水航運(yùn)河渠和江水北送段的西淝河輸水河渠工程，總長度587.4km(其中航道里程總長354.9km)；新建、改建樅陽、廬江、鳳凰頸、兆河、白山、派河口、蜀山、東淝閘等8大樞紐工程；新建、改造8座梯級泵站，總裝機(jī)15.18萬kW；新建6處跨河渡槽、倒虹吸等建筑物工程；新建、改建加固跨河橋梁116座(含鐵路橋5座)；加固、重建、新建涵閘、跌水、泵站等渠系交叉建筑物395處；建設(shè)瓦埠湖、菜子湖影響處理工程和水質(zhì)保護(hù)工程。

引江濟(jì)淮工程是人工開挖的引水渠道，與天然河道存在不同的跌差及夾角。水流的跌落勢必對交匯處的水流流態(tài)產(chǎn)生不利影響[1]；同時(shí)該引水渠道又具有通航功能，需要控制入渠流速大小，使其滿足一定的通航標(biāo)準(zhǔn)要求，從而確保航運(yùn)安全。根據(jù)引江濟(jì)淮工程初步設(shè)計(jì)審查意見，通航橫向流速控制條件：航道最高通航水位遇20年一遇洪水(泄流工況)，橫向流速不大于0.3m/s(通航水域邊線，垂直航道中心線)；航道最低控制水位遇5年一遇洪水，橫向流速不大于0.15m/s。

目前引江濟(jì)淮工程菜子湖段共有跌水、跌井等47座；開敞式跌水15座，跌井式跌水32座。為了滿足以上通航條件，須對跌水、跌井的消能方式、平面及結(jié)構(gòu)布置等進(jìn)行研究[2]，使跌水、跌井出流流速、流態(tài)平穩(wěn)，滿足支流入渠水流在通航水域內(nèi)要求。本文以界河跌水為例，采用相關(guān)數(shù)值模擬軟件，針對跌水水流特點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算水力學(xué)方法特點(diǎn)和以往數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)[3-6]，重點(diǎn)從界面處理技術(shù)、網(wǎng)格敏感性分析和湍流模型等方面對計(jì)算模型進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1 設(shè)計(jì)體型

界河跌水位于引江濟(jì)淮主渠道的左岸側(cè)，樁號56+400，設(shè)計(jì)體型結(jié)構(gòu)及平面布置如圖1所示。界河跌水進(jìn)口底板高程為13.00m，跌水進(jìn)口凈寬為45.0m，設(shè)置二級跌水，匯流口段引江濟(jì)淮主渠道的底高程為4.20m，跌水中心線與主渠道中心線呈38.5°斜交。界河跌水的代表性主要水流指標(biāo)見表1。

圖1 界河跌水設(shè)計(jì)體型結(jié)構(gòu)圖

表1 界河跌水代表性洪水主要指標(biāo)

2 計(jì)算模型

界河跌水計(jì)算模型模擬了一定長度的支流河道、跌水跌井主體結(jié)構(gòu)以及一定長度的上、下游主渠道。支流河道長度截取滾水壩上游25m，主渠道的匯流口上游取順直河道150m，下游取順直河道500m，如圖2所示。

圖2 界河跌水設(shè)計(jì)體型模型示意圖

計(jì)算網(wǎng)格采用分塊六面體網(wǎng)格；跌水跌坎處及消力池的網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格尺寸在0.2～0.5m之間；匯流口垂向網(wǎng)格間距0.3～0.5m，縱橫向網(wǎng)格0.5～2m，輸水渠主流向最大網(wǎng)格間距5m。部分淺水支渠底部設(shè)邊界層，邊界層網(wǎng)格尺度0.05～0.1m。界河跌水設(shè)計(jì)體型計(jì)算模型共計(jì)117萬多個(gè)網(wǎng)格。

渠道及支流進(jìn)口根據(jù)流量給定初始速度進(jìn)口邊界條件。下游出口給定壓力邊界條件，壓力分布根據(jù)河道下游控制斷面水位按照靜壓分布計(jì)算。自由水面為開敞邊界，取大氣開邊界條件。固體壁面為非穿透無滑移邊界。

3 設(shè)計(jì)體型洪水工況條件分析(以5年一遇洪水工況為例)

3.1 跌水水力特性

界河跌水設(shè)計(jì)體型縱向剖面水流形態(tài)如圖3所示。界河跌水設(shè)置兩級跌水，兩級跌水均為貼壁流流動。第一級消力池能夠形成完整的穩(wěn)定水躍。由于跌坎方向與跌水軸線斜交，消力池水流左側(cè)第二級跌水跌落水流入池形成淹沒射流流態(tài)[7-9]。總體來看，消力池內(nèi)水流橫向分配不均，存在明顯偏流現(xiàn)象。

圖3 界河跌水設(shè)計(jì)體型縱向剖面水流形態(tài)(單位：m/s)

界河跌水設(shè)計(jì)體型縱向剖面流速云圖和矢量圖如圖4—5所示，第一級跌水最大流速為4.6m/s，第二級跌水最大流速為4.8m/s，第二級消力池主流偏于水流表層，表面流速大，底部流速小。并且水流流速沿橫向分布不均勻，主流向中間位置聚集，兩側(cè)形成回流區(qū)，水下1.0、2.0m處流速分布如圖6—7所示。

圖4 界河跌水設(shè)計(jì)體型縱向剖面流速分布圖(單位：m/s)

圖5 界河跌水設(shè)計(jì)體型縱向剖面流速矢量分布圖(單位：m/s)

圖6 界河跌水設(shè)計(jì)體型匯流口部位水深1m剖面流速分布(單位：m/s)

圖7 界河跌水設(shè)計(jì)體型匯流口部位水深2m剖面流速分布(單位：m/s)

界河跌水設(shè)計(jì)體型縱向剖面壓力分布如圖8所示，消力池內(nèi)各斷面沿水深的壓力變化接近靜水壓力分布，渠底高程部位壓力最大，其最大時(shí)均壓力值為38.2kPa，兩級跌流的起始部位均出現(xiàn)負(fù)壓，最大負(fù)壓-4.87kPa，位于第一級跌水起始位置，第二級跌水起始位置最大負(fù)壓為-3.1kPa。

圖8 界河跌水設(shè)計(jì)體型縱向剖面壓力分布(單位：Pa)

3.2 匯流口流速分布

在5年一遇工況下，界河設(shè)計(jì)體型匯流口段流速分布與流線如圖9所示，主渠航道區(qū)域內(nèi)水流橫向流速分布如圖10所示。橫向流速大于0.15m/s的區(qū)域如圖中白色區(qū)域。航道區(qū)域內(nèi)存在較大的范圍其橫向流速超過0.15m/s。由于匯流口入流橫向流速較大，引起主渠道內(nèi)匯流口下游的水流出現(xiàn)擺動現(xiàn)象，在較長的主渠道內(nèi)間斷產(chǎn)生橫向流速超過0.15m/s的局部區(qū)域。計(jì)算結(jié)果表明，界河跌水設(shè)計(jì)體型在5年一遇洪水設(shè)計(jì)工況下不能滿足航道內(nèi)水流橫向流速小于0.15m/s的通航條件要求。

圖9 界河跌水設(shè)計(jì)體型匯流口流速及流線示意圖(單位：m/s)

圖10 界河跌水設(shè)計(jì)體型匯流口橫向流速分布(單位：m/s)

4 設(shè)計(jì)體型洪水工況分析

界河跌水設(shè)計(jì)體型滿足泄流能力要求；兩級消力池都存在偏流現(xiàn)象，消能效果欠佳。但在5年一遇洪水工況下，匯流口下游的主干渠內(nèi)水流來回?cái)[動，導(dǎo)致航道水域內(nèi)存在大范圍內(nèi)水流的橫向流速大于0.15m/s；20年一遇洪水工況下，匯流口附近較大范圍的水流橫向流速大于0.3m/s，不能滿足通航要求。

界河跌水設(shè)計(jì)體型在5年一遇工況下，航道區(qū)域內(nèi)存在較大的范圍其橫向流速超過0.15m/s；在20年一遇工況下，航道區(qū)域內(nèi)存在較大范圍內(nèi)其橫向流速超過0.3m/s。究其原因，界河跌水設(shè)計(jì)體型在通航水域邊界處的匯流口寬度為45.0m。5年一遇時(shí)，支流流量為117.0m3/s時(shí)，其航道邊界處斷面平均流速為0.37m/s；20年一遇時(shí)，支流流量為238.0m3/s時(shí)，其航道邊界處斷面平均流速為0.30m/s。即使在航道邊界處完全均流，也不能滿足通航條件。而對于明渠水流，即使在順直渠道的恒定流動條件下，其水流表面流速一般會明顯大于斷面平均流。因此，需要考慮適當(dāng)加寬跌水寬度，并在跌水和匯流口區(qū)域采取適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流分流措施，降低匯流口航道區(qū)域內(nèi)的水流橫向流速。

5 推薦體型及優(yōu)化措施

經(jīng)與設(shè)計(jì)單位溝通，對界河跌水的結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行了一系列計(jì)算優(yōu)化，最終確定界河跌水推薦體型如圖11所示。整體布置：仍為兩級跌水，跌水寬度由45.0m加寬到50.0m(僅在右側(cè)加寬)，跌水和橋墩上移，跌水?dāng)嗝嬗膳c支流斜交改為正交；翼墻自一級跌水開始對稱擴(kuò)散，擴(kuò)散角11°，右側(cè)導(dǎo)墻末端設(shè)圓弧導(dǎo)墻進(jìn)一步擴(kuò)散，導(dǎo)墻半徑700m。消能整流設(shè)施：一、二級跌水布置消能坎；匯流口布置一排高4m的整流柱(22個(gè))，其平面位置與主渠第一級馬道對齊；匯流口布置高2.75m整流橫梁和高11m導(dǎo)流墻，橫梁頂高程15.0m，其平面位置與主渠第二級馬道對齊，導(dǎo)流墻方向與主渠垂直，并與橫梁相交。推薦設(shè)計(jì)平面圖推薦體型計(jì)算模型如圖12所示。

圖11 界河跌水推薦設(shè)計(jì)方案平面示意圖

圖12 界河跌水推薦體型計(jì)算模型示意圖

6 推薦體型洪水工況條件分析(以5年一遇洪水工況為例)

6.1 跌水水力特性

界河跌水推薦體型縱向剖面水流形態(tài)如圖13所示，界河跌水推薦體型設(shè)置兩級跌水，兩級跌水均形成貼壁流形態(tài)。輔助消能工以上水流翻滾，紊動強(qiáng)烈，伴隨有卷氣現(xiàn)象[10-12]。輔助消能工后水流比較平緩，水面波動小，消能效果良好。

圖13 界河跌水推薦體型縱剖面水流形態(tài)(單位：m/s)

跌水跌井縱截面流場分布和矢量分布分別如圖14—15所示。在每一級跌水處都形成貼壁流，在跌流入水區(qū)附近形成一定的旋渦。第一級跌水消力池的池尾附近斷面流速分布比較均勻，第二級跌水消力池的出口段主流趨于表層，水流表層流速較大，底部流速較小。消力池內(nèi)最大速度約6.5m/s左右。經(jīng)整流梁調(diào)整后主流下潛，表面流速減小。

圖14 界河跌水推薦體型縱截面速度分布(單位：m/s)

圖15 界河跌勢跌水推薦體型縱截面速度矢量分布(單位：m/s)

跌水進(jìn)口段級兩級消力池水平剖面流速分布如圖16所示，相較于設(shè)計(jì)體型，兩級跌水流速分布比較均勻，消除了匯流口區(qū)域的水流聚流現(xiàn)象，匯流口區(qū)域流動相對比較緩慢，經(jīng)過整流梁和均流柱的調(diào)節(jié)整流，匯流口的表面流速較小，且分布比較均勻。

圖16 界河跌水推薦體型段流場分布(單位：m/s)

界河跌水推薦體型縱向剖面壓力分布如圖17所示，第二級跌水水流潛入底板的部位時(shí)均壓力最大，最大時(shí)均壓力為50.01kPa，其他區(qū)域壓力分布接近靜水壓力分布。兩級跌流的起始部位均出現(xiàn)負(fù)壓，最大負(fù)壓分別為-6.22、-4.5kPa。兩級跌水消力池內(nèi)的最大流速小于7.0m/s，跌坎處的負(fù)壓不大，不會發(fā)生空化水流。

圖17 界河跌水推薦體型縱截面壓力分布(單位：Pa)

6.2 匯流口橫向流速分布

5年一遇洪水工況下，界河推薦體型匯流口流速分布與流線如圖18所示，匯流口橫向流速分布如圖19所示。航道水域內(nèi)水流比較順暢，沒有出現(xiàn)回流現(xiàn)象。航道水域內(nèi)水流的橫向流速大于0.15m/s的區(qū)域長度為20m左右，寬度約2.0m，最大橫向流速為0.16m/s。綜合分析判斷界河跌水推薦體型在5年一遇洪水設(shè)計(jì)工況下能夠滿足通航條件的要求。

圖18 界河跌水推薦體型匯流口流速分布(m/s)及流線

圖19 界河跌水推薦體型匯流口橫向流速分布(單位：m/s)

7 結(jié)論

(1)界河跌水推薦體型的泄流能力滿足要求。兩級跌水消力池的消能效果良好。

(2)界河跌水推薦體型：在5年一遇洪水設(shè)計(jì)工況下，匯流口附近航道水域內(nèi)橫向流速大于0.15m/s的局部區(qū)域，長度小于為3級航道，代表船型船舶長度的三分之一；在20年一遇洪水設(shè)計(jì)工況下，匯流口附近航道水域內(nèi)橫向流速大于0.3m/s的局部區(qū)域，長度小于為3級航道，代表船型船舶長度的四分之一。航道內(nèi)水流順暢，綜合分析判斷界河跌水推薦體型可以滿足的通航條件要求。

(3)通過模擬計(jì)算，并采取工程措施，結(jié)合后續(xù)現(xiàn)場觀測，印證了推薦體型分析合理性及可靠性，同時(shí)也為類似跌水跌井體型設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。