鋼圍堰對開放渠道過流的影響分析

摘"要：南水北調工程意義重大，為保證南水北調工程的不斷流維護，現階段使用開放圍堰隔水施工。針對渠道圍堰結構，采用三維仿真和實驗驗證的方法分析了渠道各處的流速，并以此評估圍堰對渠道過流速度的影響。研究結果表明，由于圍堰的阻擋，渠道內最大流速由原本的1.5m/s增加到2.64m/s，并且在圍堰拐角等位置形成了渦流，這些渦流致使水流對圍堰結構的沖擊力顯著增強，影響了圍堰結構的穩定性。此項研究成果為后續進一步優化與加固圍堰結構提供了極為關鍵的理論依據與技術保障，有力推動南水北調工程維護工作的科學開展。

關鍵詞：渠道；隔水圍堰；鋼圍堰；Fluent軟件；CFD仿真模型

中圖分類號：TV314""文獻標識碼：A

圍堰結構被廣泛應用于水利施工中，用以將待施工水域從主體水域中隔離以形成局部靜水區，以此使人員或設備能夠在圍堰內部的靜水區施工［12］，從而保證施工的安全和穩定。目前，圍堰結構主要應用于大型水庫、跨河海大橋等的修筑工程中，對圍堰結構的研究也主要集中在施工工藝、結構強度等方面［35］。南水北調干渠截面為倒梯形結構，使得施工過程中不僅要考慮圍堰自身的強度，還要保證圍堰的架設具有足夠的穩定性。一方面因為此類斜坡搭建的圍堰結構只適用于南水北調工程，另一方面此類圍堰為臨時性工程，不同于水庫、江海大橋等場景下的半永久性工程，因此目前有關此類臨時性圍堰斜面搭建施工的研究相對較少。為此，本文結合黃河建工集團在南水北調中線某處的組合式鋼圍堰施工現場，針對圍堰對干渠流速特性的影響進行了研究。

1"現場概況及圍堰結構

南水北調干渠整體為梯形結構，渠底寬度17.5m，邊坡坡度1∶2，水面寬度45.5～49.1m，干渠渠道左右兩側和底部均為混凝土預制襯砌板。由于沿線地質環境復雜，襯砌板時常會發生滑移、破損等問題，因此需要及時更換損壞襯砌板以防止水體被污染或流失［6］。

原先的施工方法為潛水員水下配合起重機吊裝更換。由于干渠流速較大且渠坡陡峭，施工危險較大；并且該方法必須水下灌注混凝土，污染較大且混凝土不易凝固，容易發生二次損壞。

現階段使用的圍堰施工，將圍堰各組件吊裝至指定區域的渠道邊坡上，由人工依次連接固定，抽干圍堰內部水體，即可形成開放干地，便于后續的施工［78］，如圖1所示。其中，靜水圍堰分為迎水圍堰、側邊圍堰和后部圍堰三部分，且三部分均由多個單元圍堰組成。

2"CFD仿真分析

該施工現場的圍堰順水流方向長度為50m，本施工選取圍堰上下游各1.5倍圍堰長度的距離（總長200m）進行分析。

2.1"渠道施工段三維實體模型的建立及網格劃分

組合圍堰的架設會導致渠道過流截面局部收窄，由于渠道流量處處相等，因此圍堰架設處的流速將會明顯改變。因此使用三維流體仿真，可以同時分析渠道水流流速在水平和垂直面上的分布情況。

實際的施工區域渠深為8m左右，頂寬為56m，長度為200m。本文采用了1∶30比例進行了建模。將三維模型導入Fluent軟件平臺后，采用四面體網格對渠段三維模型進行了網格劃分，劃分后的網格模型如圖2所示。

2.2"邊界條件及模型

通過現場多點測量，得到渠道中心流速約為1.3～16m/s，因此本文將初始流速設置為1.5m/s。將流體上游入口設定為inlet流量入口；將流體下游出口設定為outlet自由出口；將上表面命名為open，為水氣自由界面；將渠底和渠坡設定糙率0.15，將流體域設置為fluid水。其他物理量的比尺如表2所示。

仿真使用Fluent軟件，選取多相流VOF模型，使用該模型的自由界面功能，模擬水流和空氣的交界面。在流體區域加入流體—液態水，并在多相流中將空氣設置為首要相，水為次要相。紊流方程選擇標準ke模型，該模型考慮了低雷諾數、可壓縮性和剪切流擴散的影響，適用于混合層、射流和自由剪切流的計算［7］。

3"圍堰區流體速度分布規律

基于上述的仿真模型，計算得到的速度場云圖如圖3所示（入口速度為1.5m/s）。

由圖3可以看出，流體在圍堰上游7～15m處，速度較為均勻；在圍堰上下游附近出現明顯的速度差異分布；而在圍堰下游約8m處再次形成均勻層流直到模型出口。

為進一步展示渠道內的流速分布情況，對三維模型做順水流方向和垂直水流方向的切面。

3.1"順流向的速度場分布

順水流方向進行水平切片，獲得表面以及0.6倍水深處的平面流場速度狀況。流場水平方向切片圖如圖4所示。

上表面處流層流速分布云圖""""""0.6倍水深處流層流場分布云圖

由圖4可以看出：上表面和0.6倍水深兩個平面上，流速分布規律基本一致。最大速度位置均出現在圍堰迎水面渠道側拐角處及其下游附近的區域，最大速度為2.65m/s；第二高速區域出現在圍堰背水面渠道側的拐角處及其上游附近，局部最大速度約為2.6m/s。

圍堰迎水面和背水面的邊坡側均出現明顯的緩流區，在圍堰和邊坡面附近出現靜水區域。上表面的靜水區面積則要明顯大于0.6倍水下面，且在上表面出現渦流。圍堰上游、下游以及圍堰中部區域的水流相對穩定，但是圍堰中部水流速度約為1.65m/s，高于上下游區域的1.45m/s。

順水流方向進行豎直切片，對流體進行縱向切片，豎直方向中間軸線斷面的速度切片如圖5所示。

由圖5可以看出，在邊坡和渠底處，由于糙率較大，流速較低，不到0.5m/s，而上層水流則相對較高。

3.2"過流截面的速度場分布

分別選擇圍堰中間、圍堰兩側以及圍堰前和后分別進行速度切片，以此分析過流斷面內的速度分布。在模擬渠段選取5個典型斷面進行流速切片（以模型中間位置為原點，順水流方向為Z正方向，分別取在Z=-100m，Z=0m，Z=100m處速度切片），如圖6所示。

由圖6可以看出：斷面顯示出明顯回流區的流線變化提點和流速分布特征。速度分布顯示在進入圍堰區域時，流體流速明顯增大，整體規律與3.1所述相符。

3.3"速度場分析

根據速度場分析可知，在安裝靜水圍堰以后，渠道內較為均勻的速度場會發生顯著的變化。在水流接近和流經圍堰的過程中，迎水圍堰的前方水流速度不斷放緩，動能轉化為勢能，圍堰前方的水面高度會有所提高。在水流接近和流經圍堰的過程中，圍堰對側和渠道中部的流速會不斷增加，速度的增加值最大超過40%，這會對圍堰產生極大的沖擊力，沖擊力方向指向渠道中心。

4"結論

本文主要針對南水北調開放圍堰施工的渠段，進行三維仿真分析，根據分析結果觀察渠道水流的流速變化規律。對圍堰結構提出以下優化方向：（1）需要在圍堰迎水面增加高度以防止過度雍水導致水流倒灌；（2）圍堰側面需加強縱向連接強度，防止高速水流通過附壁效應產生縫隙導致滲水；（3）圍堰整體需要增加順水流方向的斜支撐，防止在水流高速沖擊下整體向下游滑移；（4）圍堰應將迎水面和背水面由垂直渠道改為銳角迎水、背水，進一步減少水流沖擊力、縮減渦流區域，防止人員跌落的危險性。

本文為今后圍堰結構的優化和施工工藝的改進起到了指導作用，并為相同類型工程的研發和施工提供借鑒作用。

參考文獻：

［1］吳前進，熊焰，姚飛雄，等.渠道襯砌修復專用圍堰試驗場設計研究［J］.人民長江，2021，52（S1）：332336+350.

［2］胡田清，周嵩，李蘅，等.渠道襯砌修復專用鋼圍堰防滲排水措施研究［J］.人民長江，2021，52（S1）：351354.

［3］謝向榮，周嵩，胡劍杰，等.輸水狀態下渠道襯砌修復專用圍堰總體方案設計［J］.人民長江，2020，51（7）：156161.

［4］袁淑霞，裴龍瑤，齊文嬌，等.鋼板樁圍堰結構設計及穩定性分析［J］.科學技術與工程，2024，24（8）：31553163.

［5］劉光前.橋梁承臺深基坑鋼板樁圍堰施工成本預測分析［J］.江蘇建筑職業技術學院學報，2024，24（1）：914.

［6］劉國峰，黃新磊，彭旭，等.輸水渠道襯砌修復組合式圍堰設備研發關鍵技術［J］.中國水運：下半月，2024，24（2）：101102+154.

［7］黃宇，費志高，康啊真，等.無封底嵌巖鋼板樁圍堰嵌固深度研究［J］.橋梁建設，2023，53（06）：103110.

［8］王富華，陸愛嬌，付理想.鋼板樁圍堰設計方案與施工要點研究［J］.西部交通科技，2023（12）：162164.

作者簡介：劉豐澤（1978—"），男，漢族，山西運城人，本科，高級工程師，研究方向：水利工程；張永昌（1972—"），男，漢族，河南鄭州人，本科，高級工程師，研究方向：水利工程。