不同消波工程措施對渡槽水位波動影響研究

張 宇

(四川省水利規劃研究院，四川 成都 610072)

引水工程是優化地區水資源時空配置的重大工程，在規劃設計和修建引水工程中，會出現跨越河渠、溪谷、洼地、鐵路、公路等情況，此時就需要修建大型渡槽[1-2]。渡槽在設計時，要考慮渡槽內水位波動的影響，如果水位波動較大，不僅會產生縱向行進波，對渡槽造成沖蝕和淘刷，同時還會產生周期性的橫向波動，對渡槽造成疲勞損傷，給渡槽的安全和穩定運行帶來重要影響，因此有必要對大型渡槽的消波工程措施進行專項研究[3-7]。

四川毗河供水1期工程設計灌溉面積333.23萬畝，工程等別屬I等，相應工程規模為大(1)型灌區，主要由取水樞紐、渠系工程、灌區囤蓄水庫及提灌工程等組成。總干渠全長156.3km，主要由明渠、隧洞、渡槽、倒虹管等組成，其中渡槽共計56座，總長27.75km，占總干渠渠線長度的17.8%。渡槽最大架設高度為46.5m，單段最大長度為3674m，采用鋼筋砼拱支承結構，渡槽槽身、墩臺、墩身分別采用C50、C30和C25混凝土。本文以其中一段渡槽為研究對象，對渡槽設計過程中存在的問題進行分析，根據存在的問題提出了多種消波工程措施，并通過數值模擬方式對不同措施的消波效果進行對比，以期能為大型渡槽工程規劃設計提供指導。

1 渡槽原設計方案水位波動分析

1.1 渡槽原設計方案

四川毗河供水1期工程某段渡槽采用雙線雙槽布置型式，如圖1所示。從上到下依次分為進口段、漸變段、閘室、進口連接段、渡槽段、出口連接段、閘室、漸變段、出口段等結構組成，長度分別為60、40、26、20、60、20、15、60、60m，渡槽高度為7.8m，槽身采用開口箱型渡槽，分兩跨布置，每跨渡槽的長度為30m，雙槽中隔壁墩的厚度大小為5m，尾墩為圓弧形，上下游干渠的斷面型式為梯型。設計流量下上下游水位差為0.16m，加大流量下上下游水位差為0.17m。

圖1 原渡槽設計方案

1.2 水位波動模擬分析

利用Solid Works軟件建立渡槽模型并將其轉換為Flow-3D流體計算軟件可以識別的格式[8]，然后利用Flow-3D軟件對模型進行六面體網格劃分(網格總數量1030000個，其中流體網格和固體網格數量分別為710000個和320000個)，接著利用N-S控制方程和RNG k-ε湍流模型對渡槽的水位波動情況進行分析，水流雷諾系數取值為9.34×106，流量為340m3/s，水流粘滯性系數取值為0.001N·s/m2，渠道糙率取值為0.014，模擬總時長為30min。

選取不同的時間點匯出渡槽的水深情況，見圖2。通過水深情況，對渡槽的波動進行進行分析，結果表明：渡槽內在設計流量下水位的最大波動幅度達到0.8m，平均波動幅度為0.58m，水位波動幅度較大。分析其原因：一是因為渡槽的中隔壁尾墩為半圓形，由于在出口尾墩處水流匯流急速，導致雙列卡門渦街現象的產生；二是因為渡槽的長度過短，僅為60m，即使包括閘室和連接段，總長也僅為141m，渡槽出口尾墩處形成的雙列卡門渦街現象會造成左右槽漩渦出現相位差，導致漩渦的波峰波谷對稱向上游傳遞，而由于渡槽的長度過短，從而導致渡槽內的進口處的流量也會發生變化，兩者疊加(差異流量+波動)使得渡槽內出現共振現象，最終導致在渡槽內會出現較大幅度的水位波動問題，對于結構的穩定與安全是極為不利的，因此需要增設消波工程措施。

圖2 渡槽槽身段水深變化云圖

2 消波工程措施方案設計

為了減小渡槽內的水位波動現象，提出了兩種控制水位波動的措施：一是在尾墩處增加導流消波工程措施，從而消除或者減小漩渦對水位波動的影響；二是在渡槽槽身段增加底坎消波工程措施，從而消除或者減小尾渦向上傳遞帶來的波動影響。

增加導流消波工程措施優化設計方案示意如圖3所示。該方案包括兩種：①將原始半圓形尾墩延長成橢圓形；②將原始半圓形尾墩延長成雙圓弧形。對于延長成橢圓形的情況，是指保持Y軸為5m不變，將X軸(尾墩長度)分別從2.5m(原設計狀態)延長至3m、5m、8m和15m；對于延長成雙圓弧形的情況，是指圓弧半徑從2.5m增大至4m、10m、16m和40m，相應的尾墩長度分別延長至3m、5m、8m和15m。

圖3 增加導流消波工程措施方案

增加底坎消波工程措施方案如圖4所示。該方案包括5種：①在渡槽的右側出口處增加1個流線型底坎；②在渡槽右側出口處增加1個齒坎型底坎；③分別在渡槽的右側、左側出口處各增加1個齒坎型底坎，兩個底坎錯位間距為5m；④在渡槽右側出口處增加2個相同的齒坎型底坎，兩個底坎相隔7m；⑤在渡槽的右側出口處增加兩個交錯的齒坎型底坎，兩個底坎的間距為7m；5種方案下的底坎高度均為1.5m。為了下文便于分析，將5種工況分別編號為K1～K5。

3 消波工程措施消波效果對比

在每種消波工程措施設計方案下，除了尾墩之外，均采用與原設計方案一致的參數進行模擬，限于文章篇幅，本文僅將模擬計算得到的不同優化方案下的最大水位波動幅度情況進行總結和對比。

3.1 增加導流工程控制消波效果對比

不同橢圓形尾墩優化設計方案下的最大水位波動幅度情況如圖5所示。從圖5中可知：隨著尾墩長度的增加，渡槽槽身內的最大水位波動幅度呈逐漸減小的變化特征，且前期降幅較快，后期降幅較慢，當渡槽尾墩長度從原設計的2.5m增加至3m后，最大水位波動幅度從0.8m降低至0.42m，降低幅度為47.5%，當尾墩長度增加至5m后，最大水位波動幅度為0.18m，相比原設計方案降低幅度達到77.5%，當尾墩長度增加至8m后，最大水位波動幅度為0.12m，相比原設計方案降低幅度達到85%，當尾墩長度繼續增加至15m后，最大水位波動幅度降至0.09m，相比原設計方案降低幅度達到88.75%。通過以上分析可知：當尾墩長度超過8m后，繼續增加尾墩長度雖然可以降低最大水位波動幅度，但效果不再明顯，因此橢圓形尾墩的最佳長度為8m。

圖4 增加底坎消波工程措施方案示意

圖5 不同橢圓形尾墩長度下最大波動幅度

不同雙圓弧形尾墩優化設計方案下的最大水位波動幅度情況如圖6所示。從圖6中可知：隨著圓弧形尾墩長度的增加，渡槽內的最大水位波動情況也呈逐漸減小的變化特征，且變化趨勢與橢圓形尾墩優化方案下一致；當尾墩長度從2.5m增加至3m后，最大水位波動幅度從0.8m降低至0.4m，降低幅度為50%，當尾墩長度增加至5m后，最大水位波動幅度為0.23m，相比原設計方案降低幅度達到71.25%，當尾墩長度增加至8m后，最大水位波動幅度為0.15m，相比原設計方案降低幅度達到81.25%，當尾墩長度繼續增加至15m后，最大水位波動幅度降至0.14m，相比原設計方案降低幅度達到82.5%，故尾墩長度最佳長度也為8m。當尾墩長度均增加至最佳長度8m后，橢圓形和雙圓弧形的最大波動幅度分別為0.12m和0.15m，因此，增加導流工程控制措施對水位波動幅度進行控制時宜優先選用橢圓形尾墩。

圖6 不同雙圓弧形尾墩長度下最大波動幅度

3.2 增加底坎消波工程控制措施消波效果對比

不同底坎消波工程措施下的最大水位波動幅度情況如圖7所示。從圖7中可知：當在渡槽槽身中增加1個流線型底坎(K1)后，最大水位波動高度為0.265m，相比原設計方案降低66.875%，當在渡槽右側出口處增加1個齒坎型底坎后(K2)，最大水位波動幅度為0.285m，相比原設計方案降低64.375%，當在渡槽右、左兩側出口處各增加1個齒坎型底坎(K3)后，最大水位波動幅度為0.255m，相比原設計方案降低68.125%，當在渡槽右側出口處增加2個相同的齒坎型底坎(K4)后，最大水位波動幅度為0.195m，相比原設計方案降低75.625%，當在渡槽的右側出口處增加兩個交錯的齒坎型底坎(K5)后，最大水位波動幅度僅為0.15m，相比原設計方案降低81.25%。從5種消波改進方案對比可知：同等水文參數情況下，K5方案的消波效果最佳，故在利用增加底坎消波工程措施時，宜優先選用在渡槽的右側出口處布置兩個間距為7m的交錯齒坎型底坎。

圖7 不同底坎消波工程措施下最大水位波動幅度

4 結論

針對毗河供水1期工程渡槽設計出現水位波動幅度較大問題，對其進行優化設計模擬研究，得出如下結論與建議：

(1)隨著尾墩長度的增加，渡槽內的最大水位波動幅度呈逐漸減小的變化特征；橢圓形尾墩的消波效果優于雙圓弧形尾墩，當橢圓形尾墩長度達到8m后，最大水位波動幅度僅為0.12m，相比原設計方案降低85%。

(2)當在渡槽的右側出口處布置兩個間距為7m的交錯齒坎型底坎時，渡槽中的最大水位波動幅度僅為0.15m，相比原設計方案降低了81.25%，為最佳的底坎消波布置型式。

(3)限于試驗條件限制，還未進行物理模型試驗來對數值模擬結果進行進一步驗證，這將在今后做進一步補充。