大流量明渠輸水工程渡槽閘墩振動機理研究

摘要：

針對長距離輸水明渠過渡段水流劇烈波動造成渡槽閘墩異常振動的問題，以南水北調中線工程十二里河渡槽為例，通過長度比尺1∶36的物理模型試驗復演了原型閘孔調度過程，分析了與閘墩振動密切相關的水動力要素，從進出口隔墩長度和體型、漸變段布置以及閘孔調度運行等方面對中墩振動機理進行了深入探討。研究結果表明：閘墩振動主要源于水流橫向擺動沖擊建筑物及分隔墩末端出現間歇性游離的馬蹄渦流態誘導所致；采用優化中墩布置型式、調整進出口漸變段收縮角或擴散角及調度運行方式等措施，可有效降低渡槽段水位波動及閘墩振動強度。研究成果可為大型調水工程渡槽設計及調度運行提供參考。

關 鍵 詞：

明渠過渡段； 閘墩振動； 水位波動； 馬蹄渦； 南水北調中線工程

中圖法分類號： TV672.3

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.03.032

0 引 言

長距離明渠調水工程在穿越河流或道路時，通常采取渡槽或倒虹吸等交叉建筑物連接，即為過渡段。由于過水斷面收縮、調整、再漸擴，過渡段內形成二次流，水流紊動強度增加，水面波動加劇。除了沿程的摩阻外，還存在渦流的振蕩和分離，以及水流非連續變化產生的附加阻力［1-3］。有關工程調研［4-6］發現，明渠均勻流在過渡段流態發生急劇變化，涌浪較大；在某些條件下，輸水建筑物閘墩等部分輕型結構在劇烈的水動力荷載作用下出現超強振動，長期持續的超強振動將會造成建筑物結構疲勞性損傷甚至破壞，嚴重影響工程正常運行。

針對明渠水流特性以及流激振動激勵機制等問題，國內外眾多學者開展了大量卓有成效的研究。董曾南等［7］提出了光滑壁面明渠均勻紊流沿水深方向流動結構分區界限和各分區中時均流速分布及脈動流速特征，吳永妍等［8］研究了明渠過渡段流速分布及紊動特性；王才歡等［4-5］研究了渡槽水流超常波動成因與對策；戴梅等［9］研究了渡槽漸變段型式和管理調度運用方式；劉松等［10］研究了流向振蕩圓柱繞流中渦脫落方式及其流動特征。水體作用下渡槽結構動力學問題，其實質是研究渡槽結構與槽內水體的耦合問題。一般理論分析方法是假定水體為理想流體，忽略水體的可壓縮性及其黏性，而將水體邊界整體視為剛性邊界，這一方法將流固問題解耦簡化為純結構動力學問題，并在分析流體-結構動力響應中得到廣泛應用［11-12］。針對大型渡槽的抗震安全問題，國內研究人員開展了渡槽模型的振動試驗，研究表明渡槽內水體的沖擊作用是決定渡槽結構地震響應的關鍵要素［13-16］。而對于如何確定渡槽內水流的沖擊作用效果，以及流固耦合作用下閘墩振動問題卻鮮有報道。

本文以南水北調中線工程十二里河渡槽調度運行中發生的閘墩振動異常現象為例，通過水工模型試驗復演了原型閘孔調度過程，對比分析了與閘墩振動密切相關的水動力要素，從進出口分隔墩長度和體型、漸變段布置以及閘孔調度運行方式等方面對閘墩振動形成原因進行了深入探討。

1 工程運行情況及試驗方法

1.1 工程運行情況

根據南水北調中線工程總干渠規劃設計，十二里河渡槽采用雙線雙槽布置型式，主要建筑物包括進口建筑物（含節制閘）、槽身段、出口建筑物，總長241.0 m，其中，上、下游漸變段長度分別為40.0 m和60.0 m，渡槽單槽凈寬13.0 m，中墩寬5.0 m，頭部為半圓形分流墩；渠底縱向坡比1/25 000，梯形渠道邊坡坡比1∶2，渡槽總體布置見圖1。

十二里河渡槽設計流量340 m3/s，加大流量410 m3/s，常設水位141.8 m，設計水深6.35 m，加大流量水深7.05 m。閘室進口處布置兩扇弧形工作閘門。設計調度原則為：中小流量情況下，按照閘前常設水位雙孔控泄；當Q≥340 m3/s時，如閘前水位超過常設水位，雙孔敞泄。

渡槽運行4 a來，輸水流量一直在280 m3/s以下，采用控泄方式運行，渡槽及上、下游明渠最大涌浪0.3 m。2018年5～6月，總干渠實施大流量輸水，渡槽輸水流量為280～320 m3/s，敞泄。運行時現場觀測發現，渡槽及總干渠水面出現異常波動，渡槽內最大涌浪達到1.0 m，涌浪向上、下游渠道傳播，波浪爬高超出了岸坡防洪設計高程，人站在渡槽中墩頭部有強烈的周期性振動感。經現場觀察初步分析，閘墩振動源于水流橫向擺動沖擊建筑物及中墩末端出現間歇性游離的馬蹄渦流態誘導所致。但在流量280 m3/s、渡槽閘門控泄與敞泄方式下，渡槽上、下游流態及水位波動卻出現很大差異，這種異常現象引起了管理部門高度警覺，需要探究其原因，為此開展專項研究。

1.2 試驗方法

1.2.1 模型設計

該項目采用物理模型試驗開展研究，重點研究渡槽段及其上、下游明渠一定范圍內水流流態。明渠過渡段局部阻力起主要作用，水位波動及漩渦模擬需要同時考慮重力和紊動阻力相似性問題。根據水力學模型試驗相似原理，當模型和原型水流均處于紊流粗糙區時，摩阻力相似條件為：λn=λ1/61，重力相似準則和摩阻力相似準則可以同時滿足。按照設計條件，當Q1=340 m3/s時，明渠段雷諾數Re1=5.913×106；當Q2=410 m3/s時，Re2=6.713×106，漸變段雷諾數更大，滿足紊流粗糙區的條件。渡槽段采用有機玻璃制作（糙率0.007～0.008），按模型長度比尺λ1=1∶36，其換算的糙率與原型渡槽實際糙率n=0.014基本相當，滿足渡槽段的阻力相似要求，相應模型流量條件下水流最小雷諾數Rem1≥3.1×104，滿足紊流粗糙區雷諾數Re≥2.0×104的要求。流量Q≥340 m3/s時，模型渡槽和渠道的水深h＞16 cm，大于規范要求的3 cm［17］，因此該模型相似性滿足試驗要求。

1.2.2 試驗方案

進行了流量為280，340 m3/s時渠道內水流特征的復演試驗，然后在渡槽設計流量和加大流量輸水工況下，擬定導（分）流墩體型為三角形或流線型，渡槽出口導流墩長度分別選取8，15，20～40 m，渡槽進口分流墩長度分別選取7.5 m和10 m，從中篩選組合，確定流態最佳、水頭損失最小的導（分）流墩體型及組合方式，如圖2所示。由于閘墩振動源于水流沖擊和水位波動，因此本文重點從渡槽段流態變化和水位波動特征予以分析，并進行探索試驗，尋求解決途徑。

試驗觀測時將渡槽中墩上墩頭設為0+000斷面，根據水位和涌浪等不同觀測內容分別在渡槽上游（0-500）、下游（0+400）渠道一定范圍內布置觀測斷面。

2 振動原因分析

2.1 局部水頭損失

渡槽段阻力變化與流態變化相關，除水流與邊界接觸面產生沿程摩阻外，邊界收束或擴散引起水流的不連續變化以及渦流作用還會產生附加阻力。由于過渡段水位波動較大，為觀測各級流量條件下沿程渠道正常水位值，選擇渡槽上游渠道0-500和下游渠道0+400斷面作為渡槽段水面比降總控制段，在上游渠道0-50斷面布置一點，比較渡槽上、下游段水位落差，計算局部水頭損失。渡槽上、下游梯形渠道兩個斷面0-500～0+400之間的水位觀測資料表明，在原方案條件下，Q1=340 m3/s時，兩斷面之間平均水頭損失值為0.17 m，其中，斷面0-500至渡槽上游漸變段（0～0-50）之間的水頭損失為0.03 m，從上游漸變段至下游渠道0+400斷面之間的水位差0.14 m。如果按照上游部分沿程水頭損失0.03 m推算，則渡槽段局部水頭損失在0.10 m左右。Q2=410 m3/s時，兩斷面之間平均水頭損失為0.18 m，推算渡槽段局部水頭損失在0.11 m左右，可見2組流量條件下渡槽段局部水頭損失差別不大。渡槽上、下游渠道兩斷面間水面線見圖3。

當水流邊界沿流程不變時，水流受固體邊界滯水作用的影響，形成水流邊界層，邊界層內具有較大的流速梯度（對紊流邊界層還將產生大量的渦體紊動），由于水的黏性作用而產生水頭損失，即沿程水頭損失。當水流邊界急劇變化時，由于水體自身的慣性，會使邊界層發生分離，并出現渦旋區，大尺度渦體不斷生成、旋轉并逐級分裂成尺度更小的渦體，從而調整水流的內部結構，導致水流時均流速分布沿流程急劇改變。在此過程中，通過渦體，特別是最小尺度渦體的摩擦，在黏性作用下產生水頭損失，這種損失發生在邊界急劇改變前后的局部水域內，即為局部水頭損失。上述分析表明，在過渡段局部水頭損失占主導。

2.2 水流收束與水位波動

在渡槽上、下游布置5個水位波動觀測斷面：上游渠道0-500、0-140，渡槽內0+10、0+90，下游渠道0+310，沿程中心線水位波動值見表1，水位波幅變化見圖4。

在原設計方案下，在設計流量340 m3/s和加大流量410 m3/s時，渡槽內水位最大波幅分別為0.96 m和1.05 m；渡槽上游渠道中心最大波幅約0.10 m、邊坡最大波幅約0.40 m，下游渠道中心最大波幅約0.09 m、邊坡最大波幅約0.25 m。可以看出，渠道同一斷面岸邊水位波幅均大于渠道中心的波幅，并且向上、下游傳遞逐漸衰減，最大波幅集中在渡槽槽身段。

2.3 墩頭壅水與墩尾繞流振蕩

2.3.1 渡槽進口分流墩墩頭壅水

渡槽進口原半圓型分流墩墩頭方案中，中墩厚度達5.0 m，中墩厚度與渡槽過流寬度之比達16.2%，墩頭有局部壅水現象，隨后墩頭兩側水面出現跌落并形成擾動波。對左右兩個單槽而言，進口中墩形成的壅水波與邊界收束激起的涌浪交匯于各單槽的中心位置附近，如圖5所示。

試驗觀測發現，漸變段水流不均勻。進入閘前主流有可能瞬時擺動，中墩左右閘室出現流態不一致的現象，表現為左、右閘室水面壅高和波動強度不同，有時左、右閘室交替出現水流陣發性擺動，并向下游傳遞，同時伴隨閘墩振動。

2.3.2 墩尾繞流振蕩

在各級流量條件下，渡槽出口中墩尾部呈現繞流現象，末端中心水域間歇性出現類似馬蹄渦的流態（見圖6），馬蹄渦最大平面尺寸為0.2～0.3 m。觀測發現，該水域中基本看不到2個以上的小渦漩同時存在，且單個小渦漩能夠持續存在的時間不超過10 s，從墩尾開始，不斷脫落，然后向下游游動，伴隨水面左右波動，沖擊墩尾。

2.3.3 弗勞德數Fr變化的影響

為了進一步探明水位波動與水流弗勞德數Fr的相關性，在相同流量條件下，改變輸水流量的渠道水深，流速隨之變化。試驗觀測了3級流量（280，340，410 m3/s），渠道水深在設計水深附近上下2 m范圍內調整。試驗表明：在同一級輸水流量條件下，下游渠道水深減少，流速增加，水面波幅減少。為便于對比分析，將渡槽最大水位波幅與渡槽出口水深相除，得到無量綱化的相對水位最大波幅η（渡槽最大波幅/渡槽出口水深），建立η與水流弗勞德數Fr相關關系（見圖7）。

分析可見，渡槽內水位波幅η與Fr成反比關系，各級流量條件下，隨著Fr增加，渡槽內波幅明顯降低，當Fr≥0.38時，最大波幅均小于0.15 m。

3 影響因素對比試驗

3.1 進出口分流墩長度與體型的影響

考慮中墩上、下游流態變化，分別在渡槽中墩上游增加長7.5～20 m的分流墩，或者在出口中墩尾部增加長8～40 m的尖尾形導流墩。各組合方案條件下，設計流量340 m3/s時各方案的平均水頭損失值在0.151～0.156 m之間變化，各方案之間的水頭損失值相差不大；加大流量410 m3/s下，各方案的平均水頭損失值在0.157～0.161 m之間變化，也相差不大。

綜合比較表明，渡槽上游增加10 m長的流線形分流墩與下游增加20 m長的流線形導流墩組合方案的水頭損失值總是相對較小。盡管降低水頭損失的優勢不大，從趨勢上說明中墩流線形方案的阻力有所減少。

通過渡槽出口導流墩不同長度的流態對比試驗，認為導流墩長度達到20 m時，其墩后水流表面小漩渦出現的頻次已經很小，基于渡槽槽身流速及出口漸變段的流速變化率可得出；如果渡槽槽身流速或者出口漸變段流速變化率更大，則出口導流墩的長度也要相應增加。由此可見，導流墩末端的間歇性漩渦與導流墩的長度、墩頭最大厚度、型式，以及下游漸變段的長度等密切相關。

3.2 漸變段擴散角與曲面型式

明渠過渡段邊界條件發生了改變，以渡槽出口段為例，水流從渡槽槽身流出后，固體邊界漸擴，由于水流的慣性，水體不能沿著突變的邊界作急劇的轉折，因此造成了水流邊界層的脫離，形成了回流漩渦區。渡槽槽身流速越大，水流慣性就越大，其產生的回流漩渦區范圍和強度也越大。在渡槽出口漸變段邊界層分離產生的回流區內，存在許多大尺度的渦體，其處于形成、分裂、再形成、再分裂的不穩定狀態，并在形成、旋轉、逐級分裂的過程中，通過摩擦和碰撞的方式消能，邊界層分離后形成的回流范圍和回流強度越大，能量損失和水流阻力也越大。因此，在渡槽出口漸變段設計時，為了減少水流阻力和能量損失，通常以大流量輸水不出現固壁邊界回流為原則，或者盡量縮小回流區范圍，使水流平順通過邊界過渡段。

目前設計規范建議的渡槽出口漸變段水流擴散角為8°～11°，具體應根據渡槽布置形式、渡槽槽身流速、漸變段沿程流速變化梯度等綜合選取。對于并聯式多槽布置形式，如果隔墩數量較多、墩體較厚，渡槽進、出口漸變段水流收縮角或擴散角宜控制得更小一些。總體原則是：水流通過進、出口漸變段時，岸邊水流盡量平順，水流流線變化盡量平緩，不產生回流；中墩較厚時，要采取措施減小水流脫離墩體后的沿程流速變化梯度，使墩后水流平緩過渡，不產生搖擺水流或大的渦漩流。

前述進、出口分（導）流墩長度與體型比較試驗中，渡槽通過加大流量Q=410 m3/s時，渡槽槽身平均流速約2.2 m/s，下游梯形渠道平均流速約1.3 m/s。觀測發現，原方案中渡槽下游漸變段左右兩側的回流范圍相對較小，回流區最大長度22.3 m，起點距離渡槽出口35.3 m；回流區最大寬度3.6 m，回流范圍基本處于明渠擴散段。導流墩長20 m的方案中，回流區最大長度59.8 m，起點距離渡槽出口15.8 m；回流區最大寬度8.6 m，回流區下端已經伸入明渠均勻段，影響明渠過流能力。其他方案的回流范圍總體上隨著下游導流墩長度的增加而增大，起點距離渡槽出口16 m左右。墩尾下游不同導流墩布置方案中漸變段內回流流態見圖8。

渡槽進口是否增加分流墩和分流墩的長度對下游漸變段內的回流范圍基本沒有影響。渡槽進口漸變段水流收縮角為16.7°，在11°～18°的適宜范圍內。渡槽出口漸變段水流擴散角為11.3°，超出了8°～11°的適宜范圍，表層水流擴散角稍大，漸變段后段至梯形渠道前端的岸邊水域有局部回流出現。

3.3 調度運行方式分析

調度的基本原則是使水流平順，不致出現旋渦、回流等不良流態。

在原型調度試驗中，Q=280 m3/s，雙孔閘門采用常規控泄方式（閘門開啟高度e=3.7 m），渡槽內最大水位波幅0.25 m，但在敞泄時卻達到0.94 m，說明調度方式對于改變渡槽內水流結構，特別是水位波動具有明顯效果。受此思路啟發，進行閘孔調度方式探索試驗。

Q=340 m3/s，雙孔閘門組合調度，當一孔敞泄，另一孔控泄時（閘門開啟高度e=4.7 m），渡槽內最大水位波幅0.22 m，兩槽的流量比10∶9；雙孔敞泄時，最大水位波幅0.83 m。

究其原因，當閘門控泄時閘前水面均勻壅高，閘孔處于淹沒出流狀態，能量耗散較大，同時減小了下游水位波動，左、右閘孔交替形成的水位波動和渦旋結構也被消除了，相當于消減了閘墩振動源。

4 結 語

在長距離明渠調水工程的過渡段常呈現非均勻水流特性。南水北調中線總干渠實施大流量輸水期間，渡槽及總干渠水位波動較大，并伴隨閘墩周期性振動現象。

通過水工模型進行復演試驗和初步研究認為，閘墩振動源于水流橫向擺動沖擊建筑物及閘墩末端出現間歇性游離的馬蹄渦流態誘導所致。相比較而言，進口分流墩采取流線形方案的阻力有所減少，出口導流墩末端的間歇性漩渦與導流墩的長度、墩頭最大厚度、型式，以及下游漸變段的長度等密切相關。根據渡槽布置形式、渡槽槽身流速、漸變段沿程流速變化梯度等設計合理的渡槽進、出口漸變段收縮角或擴散角，使水流流線變化盡量平緩，不產生搖擺水流或大尺度渦漩流，有利于減小渡槽段水位波動和閘墩振動。

當閘門實施控泄時，閘孔處于淹沒出流狀態，相當于破除了閘孔左右側非對稱水流的左右擺動，可以減小下游水位波動，同時有效消減閘墩振動強度。

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（編輯：胡旭東）

Study on vibration mechanism of aqueduct pier in open channel of large flow

ZHANG Shilei1，LI Meiling1，WANG Zhixin2，PENG Shengling3，ZHOU Xuyang4

（1.Inner Mongolia Yinchuo Jiliao Water Supply Co.，Ltd.，Xin′anmeng 137400，China； 2.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 3.Inner Mongolia Water Investment Group Co.，Ltd.，Hohhot 010000，China； 4.Inner Mongolia Xing′anmeng Water Bureau，Xin′anmeng 137400，China）

Abstract：

Aiming at the abnormal vibration problem of the aqueduct pier in the transition section of the long-distance open channel under the condition of severe fluctuation of water flow，taking the Shierlihe aqueduct in the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project as an example，the operation process of prototype sluice gate was reproduced by a physical model test with a length scale of 1∶36，and the hydrodynamic factors closely related to the pier vibration were analyzed.The vibration mechanism of the middle pier was deeply discussed from the aspects of the length and shape of the inlet and outlet piers，the arrangement of the transition section and the operation of the gate.The results showed that the pier vibration was mainly caused by the lateral oscillation of the water flow impacting the building and the intermittent free horseshoe vortex state occurring at the end of the separation pier.The water level fluctuation and pier vibration intensity of the aqueduct section can be effectively reduced by optimizing the layout of the middle pier，adjusting the contraction angle or diffusion angle of the inlet and outlet transition section and sluice operation mode.The research results can provide reference for the design and operation of large-scale water diversion project aqueduct.

Key words：

transition section of open channel；aqueduct pier vibration；water level fluctuation；horseshoe vortex；Middle Route of South-to-North Water Diversion Project