深水明渠特殊施工围堰绕流水力特性研究

范聪喆，刘明潇，甄映红，武娟娟，孙东坡

（1.华北水利水电大学水利学院，郑州450046；2.凯里学院建工学院，贵州凯里556011）

1 问题的提出

目前全世界范围内水资源分布不均衡，导致大量跨流域长距离调水工程建设；输水渠道往往流量较大、水深较大、供水保证率要求较高。而这些渠道通常具有线路长、地质条件复杂、工程规模大、交叉建筑物多、工程维修任务重等特点。例如有些深挖方渠段，地下水的渗透压力大，汛期降大雨若排水不畅，就可能产生很大的渗透压力，引起渠道边坡衬砌板的破坏。对于这些大型深水渠道，如何进行不停水维修，是一个十分困难的工程科学问题。

目前国内已有一些渠道衬砌板的水下修复施工技术，如孙霞提出环氧树脂砂浆水下裂缝修复技术［1］，通过胶黏剂与混凝土强度的叠加，对输水渠道水下裂缝具有较好的修复效果；潘珂等采用丙乳硅粉钢纤维混凝土砂浆修复技术［2］，通过改善混凝土离析和泌水的性能，对渠道水位临界面破坏进行修复处理。葛春辉提出渠道底板采用方管推进技术堵漏技术［3］，在渠道底板下，顶进一个方形钢板管，在其方管顶部开孔，既可顺着漏水的方向边顶进、边挖土；又能边观察、边清理和查找漏点。郝清华提出了水下沉箱技术，采用气压式硅胶止水和可充气充水式水箱作为浮力控制结构，衬砌板修复提供了有利的干地施工作业面［4］。美国也有采用铺设聚氯乙烯薄膜的方式［5］，将铺砌设备悬挂在跨河桁架上运行，以达到不停水维护科切拉运河2.4 km渠道边坡的目的。

为了满足不停水情况下开展深水渠道边坡修复任务，有人提出在渠道需要维修的一侧边坡设置轻型钢结构的“围墙”式围堰，形成与渠道水体既相对连通又相对封闭的静水施工环境。这样的钢围堰既容易平衡深水渠道的动水压力，又为渠道边坡修复提供一个内静外动的维修施工环境，较好解决了大型渠道输水状态下的边坡修复施工难题。轻型钢围堰自然会对输水渠流场产生一定的阻碍作用［6，7］，自身的稳定也需要考虑绕流阻力；要厘清钢围堰对渠道流场的影响，优化体型，就很有必要对钢围堰的水动力特性开展研究。

2 研究对象与研究方法

2.1 水中钢围堰的基本体型与结构

为了具有良好的水力边界特性，钢围堰采用上游迎流段逐渐扩展、中部平行、尾部钝角折转的平面布置形式；图1为某渠道左岸边坡修复设计的平面布置，围堰采用三面围墙，顺水流方向总长97 m，横向范围达到左岸坡脚外3.7 m，钢围堰高7.5 m，满足最高输水位的挡水需求。钢围堰所在渠段上部是具有30°收缩角的迎流渐缩段，长30 m；中部是60 m 长的顺流缩窄段，下部为长7 m 的扩散段。利用钢围堰对渠道维修区域进行局部封闭，形成内静外动的相对封闭施工环境（钢围堰无止水要求，内外水相对连通）。图2是钢围堰的单元骨架，抵抗水流冲击和局部壅水造成的压力；两立柱间利用导向槽可以嵌入钢模面板，形成连续的钢围墙。

2.2 研究方法

本文拟建立明渠水流三维水动力数学模型，采用FLOW3D三维紊流模型模拟计算钢围堰体型布置对明渠流场的影响；分析对钢围堰上游输水明渠的壅水影响，下游回流区影响，钢围堰影响区域的流速分布及流态，以及钢围堰壁面的动水压强分布，分析明渠水流对钢围堰的作用力；通过对比分析，筛选出对渠道正常输水影响小且稳定性强的钢围堰体型。

3 三维水动力模型的建立与验证

3.1 流动控制方程与紊流模型

流体动力学计算（CFD）的实质是在计算域内对水流控制方程进行离散迭代求解，获得计算域内的水动力因子，数值模拟的理论基础为流动控制方程［8-10］。

（1）质量守恒方程。

式中：xi，ui和ρ分别表示在i方向上的空间坐标、流体流速和流体密度。

（2）动量平衡方程。

式中：p，fi，μi分别表示平均压强、i方向上的重力分量和i方向上的流体黏性；是由Boussinesq假设推得的紊流雷诺应力，采用计算精度和稳定性较好的Realizablek-ε方程［11］，可用公式（3）表示：

对于不可压缩明渠流，由于在钢围堰区水流会有收缩、扩散引起的边界层分离现象，因此在选用紊流模型时，要考虑模拟局部回流与漩涡，采用Realizablek-ε模型。。

3.2 水动力模型的建立

3.2.1 数值模拟背景及边界范围

数值模拟区域按两种流场边界状态考虑，①无工程正常输水状态：作为与有钢围堰影响的对比背景流场；②维修输水状态：渠道一侧边坡设置钢围堰，体型及尺寸见2.1。模拟范围包括工程影响范围内的渠道与新加钢围堰临水边界，上游明渠过渡段长240 m，渐缩段长30 m，缩窄段长60 m，扩散段长7 m，下游明渠恢复段长223 m，模拟总长560 m。模拟渠道边界、钢围堰形态及尺寸见图3。

3.2.2 模拟边界及相关参数设置

根据原型观测资料、研究目的并结合渠道情况，确定边界条件：上游（进口端X-Min）边界设为流速边界，设定进口水深为7.1 m，流速为1 m/s（由渠道实测流量和水深确定），维持上游连续稳定水流条件。下游（出口断面X-Max）边界设为压力边界，出口水深也为7.1 m，设置为静水定压力，避免因末端流速过大导致流场水位降低，影响模拟计算结果；模型的左右侧边界（Y-Max 方向，Y-Min 方向）和下边界（Z-Min）均设为渠道固璧或钢围挡边界，固体壁面边界条件符合无滑移条件；模拟区顶部Z-Max设为压力边界，压力为一个大气压，相对压强p0=0。

结合实际情况及模拟对象考虑确定相关参数，维修期水温选择20 ℃，重力加速度为Z轴负方向，取-9.8 kg/s²，无量纲紊动强度取0.02，糙率取0.014；在水流状态趋于稳定后开始输出模拟数据，数据输出时间间隔设定为10 s。

3.2.3 模型网格剖分及壁面/自由面处理

采用FAVOR 技术进行网格处理，可在结构化网格内部定义独立复杂的几何体，精细模拟复杂结构物。根据本次模拟的边界特点，计算域采用均匀的立方体网格进行剖分，三维坐标系中沿坐标轴正方向最大尺寸是长560 m、宽56 m 和高9 m，网格系统涵盖模拟渠道与钢围挡边界；网格单元尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m，系统共有2 257 920 个网格单元。经过现场观测和简单试算表明，渠道右侧边界平顺，流态基本与无工程情况相近；而左侧钢围挡所在区域受边界改变影响，流态变化剧烈。为了提高在边界急剧变化区域的模拟计算精度，在钢围堰临水边界附近区域进行局部网格加密，网格设置见图4［12，13］。

本次数值模拟的壁面处理采用引入壁面函数法，计算条件是要求第一层网格节点必须配置在紊流充分发展区域，本次研究的底板和两侧的边壁网格y+均在70 以内。考虑到本次模拟的明渠流场边界变化较大，在增设钢围堰后自由面会存在波动，故自由面模拟采用经过改进的VOF 方法，能够更好、更精确计算网格内运动流体百分比，准确体现自由面特征［14］。

3.3 模型验证

为验证数值模拟计算的准确性，进行了数值模拟计算和物理模型试验的水面线数据对比，物理模型见图5。经阻力参数调试和进口边界条件的改善，选用合适的钢围堰糙率及渠道糙率，模拟计算水位结果与实测数据基本符合，水面线对比见图6，模拟水面线与实测水面线变化趋势整体一致，在钢围堰区和上下游水位吻合度较高，表明研究河段三维流速场的模拟是可信的；钢围堰扩散段局部区域水位略高，是由于回流区涡旋强烈，三维紊动性强所致，局部水位偏差不超过3 cm。

4 深水明渠施工围堰的流场特征

4.1 流场水位分析

与原型观测的输水明渠现象一致，渠道水位沿程下降，但钢围堰的存在使其上游产生一段壅水，壅水高度约0.10～0.12 m，在收缩段水位持续降低。在收缩段末段转角处，水流分离引起局部水面突跌（凹陷）；在缩窄段水位继续下降，但下降速率变缓；出缩窄段后，主流水面线又略有抬升，但左岸扩散段回流区的水位较低，形成横向水位差。然后继续下降，逐渐恢复自然水面比降，钢围堰附近的平面水位分布见图7；为便于对比，3种特征流量的渠道中轴线沿程水位变化见图8。

4.2 流场流速分布

根据模拟给出的流速分布云图［见图9（a）］可看出，由于钢围堰的存在，使流场特性发生很大变化：钢围堰缩窄段过水断面的减小使流速增大，此区的表面流速在2.2～2.5 m/s 左右，是无钢围堰时的流速的1.58 倍，流速增加近57.6%。出钢围堰后水流逐渐扩散，大约100 m后流速分布逐渐恢复到无干扰状态；流速场具有中轴线流速大，沿横向向两侧逐渐减小的流速分布特征，主流流速约1.8 m/s，边岸流速0.4～0.8 m/s。在钢围堰上游边岸有小范围回流区，流速较低，仅0.1～0.4 m/s。另外在钢围堰下游左岸有大范围回流区，主回流区长度约50～60 m，回流区边岸流速仅0.2～0.45 m/s。全流场流速最高区域在钢围堰收缩段末端转角处，那里水流形成局部凹陷；局部比降大、流速高，最大流速接近2.7 m/s。模拟流场沿程各断面的流速分布［图9（b）］，反映出在钢围堰上段（收缩段）主流开始向右岸偏斜，出缩窄段后水流复又扩散。左起第2 和5 断面都显示出明显的回流区的流线变化特点和流速分布特征。

图10中分别给出了钢围堰缩窄段（x=270 m 断面）、回流区扩散段（x=367 m 断面）与下游稳定断面（x=527 m 断面）的流速分布。从各分布图可以看出，钢围堰的存在对流速分布的影响，进入钢围堰缩窄段左侧流速接近2.4 m/s；钢围堰下游扩散段，可以明显看到回流区内流速与主流区流速的差异，主流逐渐向渠道中轴线恢复，主流表面流速约1.8 m/s，回流区流速0.1～0.4 m/s；在下游稳定区，主流已经基本居中。

图11给出在流量260 m3/s 条件下，两个特征断面（y/H=0.2）纵向流速的横向分布，可以看到进入钢围堰影响区后（x=240 m断面），主流流速逐渐向右偏移；在x=270 m断面后，有工程流速比无工程增加1.3～1.5 倍；在x=367 m 断面，依然可以看到回流区存在对流速分布的影响，回流区的水动力特性有助于截留水中污染物，防止施工期水质污染。

4.3 流场流态及水动力特征分析

根据数值模拟流速场和水深场的计算成果，可进一步求得钢围堰渠段流场其他水动力特征值。图12给出了在260 m3/s的水流条件下，模拟钢围堰渠段的紊动能分布（紊动动能ε=u΄2/2，u΄为脉动流速）。紊动能表征了水流的涡旋混掺强度，可由图看出，紊动能比较强烈的区域集中在钢围堰缩窄段进口的左侧水面凹陷区和钢围堰下游回流区。在图12白色虚线环所注部分涡旋强烈，紊动能耗散集中；从图13中可以从看出，紊动能具有从下部（y/H=0.2）到上部（y/H=0.6）渐增的垂向分布特征，钢围堰下游回流区上层的紊动能耗散明显比下层强烈。

图14给出在流量260 m3/s 的条件下，模拟钢围堰渠段的流场流线图，可直观反映水流经过钢围堰区域时的变化：上游流线偏移收缩，下游流线扩散，回流区流线体现了大范围回流区内存在多个小型环流的复杂流态特征。

作者还进行了钢围堰的概化模型试验，根据获取的流场照片（见图15）可看到实际钢围堰区过流流态与数模成果相近，主流流速约1.8 ～2.05 m/s，围堰后部回流区影响范围长100～120 m，回流区流速0.1～0.45 m/s，与模拟成果也基本一致。

5 结 论

（1）针对深水明渠边坡不停水修复专用钢围堰的特殊边界条件，采用三维水动力数值模拟方法，对输水条件下钢围堰区流场水动力特性进行了分析；同时也采用概化物理模型试验，进行了模型验证与比对分析。综合分析表明，所建数学模型对流场的仿真模拟是可信的。

（2）无钢围堰时输水明渠基本为均匀流，钢围堰类似无坎宽顶堰，约束了该段水流；形成了围挡区上游流线收缩、壅水，中部缩窄过流，下游逐渐扩散且左岸形成摩擦回流区的基本流动特征。通过水深场变化分析、流速分布空间变化分析，总体看围堰局部壅水范围40 m 左右，引起的水头损失约0.11 m，虽然水流结构发生了收缩与扩散的多方面调整，但钢围堰区过流比较适顺，围堰总体对渠道过流能力影响不大。

（3）设计条件时，钢围堰影响围堰区上游壅水Δz=0.12～0.18 m；缩窄段水深H=7.11～7.12 m，垂线平均流速v=2.1 m/s，表面流速um=2.2～2.6 m/s，为无钢围堰时流速的1.58 倍；下游水流扩散区主流流速约1.8 m/s，钢围堰后部（左侧）回流区影响范围长100～120 m，回流区流速0.1～0.4 m/s。

（4）在钢围堰下游左岸有回流区，水流结构急剧变化，紊动能集中消耗；回流区最大湍动能损耗是钢围堰边界湍动能损耗的5～7倍，表层湍动能大于底层。回流区中次生多个小环流，回流区的卷吸作用有利于截留施工漂浮物。 □