输水渡槽水位异常波动原因分析与改善措施研究

屈志刚 李政鹏

摘要：南水北调中线工程自2020年开始正式启动大流量输水，在此期间部分输水渡槽进出口流态紊乱，槽内水位异常波动，过流能力降低。以澧河渡槽为研究对象，通过高精度三维水动力学数值模型模拟复演了澧河渡槽现状流态异常现象，探究了渡槽水位异常波动的原因，即由于渡槽出口中墩体型宽平导致水流急剧绕流形成“卡门涡街”现象，墩尾水流出现周期性摆动，并引起两槽流量的周期性变化，反过来又加重了墩尾水流的摆动，两者相互激励形成共振，放大了渡槽水位的异常波动。结合工程实际提出了各种可行的流态优化工程措施，并通过数模分析对比，得出了最适合澧河渡槽的方案，即：在渡槽进、出中墩上下游修建三角形导流墩导流，从工程性价比、结构稳定性等方面综合考虑，推荐采用“进口长10 m+出口长30 m”的导流墩尺寸方案。相关经验可供类似调水工程渡槽流态改善借鉴。

关 键 词：输水渡槽; 水位异常波动; 卡门涡街; 数值模拟; 流态优化; 南水北调中线工程

中图法分类号： TV131.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.030

0 引 言

南水北调中线工程（以下簡称中线工程）自2014年12月12日建成通水以来，经历了汛期和冰期输水的考验，在设计流量下整体运行状况一直良好，成为沿线24座城市供水的生命线，通过实施生态补水，成为助力中国生态文明建设的重要力量。

为加大对河南省、河北省、天津市等地37条河流生态补水，按照相关管理部门工作安排，2020年4月29日起，中线工程首次以设计加大流量进行输水，以此全面检验中线工程大流量运行状态和最大输水能力。

中线工程加大流量输水以来，部分输水渡槽进出口流态紊乱，槽内水位异常波动，过流能力降低，甚至影响到工程运行安全，其中以澧河渡槽最为典型。通过现场调研，各级领导和专家一致认为有必要对其进行详细研究，找出渡槽流态异常的原因，并有针对性地提出流态优化工程措施，形成一套集流态研究和施工实施的完整解决方案，为南水北调工程其他输水建筑物流态优化提供参考和借鉴。

目前国内外许多学者围绕输水建筑物流态问题开展了大量的研究，提出了许多新模型、新方法，也取得了丰富的研究成果。例如王才欢等[1]以南水北调十二里河渡槽为研究对象，采用水工模型试验揭露了大型输水渡槽水流异常波动的原因，但由于项目周期和客观条件所限，未对流态优化工程措施进行更深入的、定量的研究。为此，本文通过构建高精度二、三维水动力学数值分析模型，以大流量输水期间实测水情为边界条件，模拟复演了澧河渡槽异常流态现象，分析澧河渡槽流态异常原因，并重点对各种导流墩体型和尺寸进行了详细的、定量的研究，提出了合理的导流墩体型和尺寸。

1 工程概况

南水北调中线工程是一项跨地区、跨流域的特大型调水工程，全长1 432 km，采用高程差自流输水，设计多年平均调水量95亿 m3。工程输水形式以明渠为主，沿线与铁路、公路、河流采用立体交叉，其中布置输水渡槽27座。

为进一步发挥工程社会经济效益，2020年4月29日起，南水北调中线工程正式启动大流量输水，陶岔入渠流量从350 m3/s提升至420 m3/s。大流量输水期间，部分输水渡槽进出口流态紊乱，槽内水位异常波动，过流能力降低，迫切需要采取有效措施改善流态，消除槽内水位异常波动，提高渡槽过流能力。

澧河渡槽全长860 m，主体建筑物包括退水闸、进口渐变段、进口节制闸、进口过渡段、渡槽段、出口过渡段、出口检修闸、出口渐变段、出口明渠段等，澧河渡槽工程布置见图1。

渡槽设计流量320 m3/s，加大流量380 m3/s，进口设计水位134.598 m，出口设计水位134.118 m，水头0.480 m。

2 现状流态问题

大流量输水期间澧河渡槽流态紊乱表现为：

（1） 进口闸室段2孔水位交替异常波动，即波动存在相反的相位差，一孔出现波峰时另一孔刚好为波谷，最大波动幅度在0.6 m左右，波动周期8 s，该波动引起进口渐变段和上游一定范围内渠道水位波动。

（2） 槽内水位大幅异常波动，通过持续的现场观测发现，渡槽流量小于300 m3/s时，槽内水位波动幅度在0.1 m以内;当流量达到320 m3/s时，槽内水位波动幅度迅速增大，达到0.2～0.4 m;当流量超过330 m3/s时，槽内水体开始拍打横梁，此时槽内水位波动幅度达到0.5～0.7 m。

（3） 在不同流量下澧河渡槽出口均存在尾流摆动，呈现典型的”卡门涡街”现象，只是随着流量的加大，尾流摆动的范围和频率有所提高，摆动周期一般在6～10 s。

澧河渡槽不同流量下水情观测结果见表1。

3 现状流态异常原因分析

为还原澧河渡槽大流量下的各种流态异常现象，分析渡槽内水面异常波动产生的原因，本文通过构建三维数模，以典型时间（2020年6月11日）现场观测水情为边界条件，对澧河渡槽当天的流态现象进行数值模拟复演。

3.1 模型原理

三维数模基于流体力学基本方程组构建，采用两方程RNG k-ε紊流模型[2-4]，其控制方程为

连续性方程：

ρt+ρuixi=0（1）

动量方程：

ρuit+xiρuiuj=-pxi+xj[（μ+μt）（uixj+ujxi）]（2）

k方程：

（ρk）t+ρkuixi=xjμ+μtσkkxi+Gk-ρε（3）

ε方程：

（ρε）t+ρεuixi=xjμ+μtσεkxj+C1εεkG-C2ερε2k（4）3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2

其中，G为由平均速度梯度引起的紊动能产生项，即：

G=μt（uixj+ujxi）uixj（5）

ρ和μ是体积分数的函数，其计算公式为

ρ=αwρw+（1-αw）ρa

μ=αwμw+（1-αw）μa（6）

式中：αw为水的体积分数，ρw和ρa分别为水和空气密度，μw和μa分别为水和空气的分子黏性系数，其他常见量物理含义参见文献[3]。

3.2 模型构建

选取澧河渡槽进口上游200 m至出口下游200 m作为建模范围，总长1 136 m。

以一般部位0.4 m、重点部位加密至0.2 m进行网格剖分，以2020年6月11日当日实测流量350.34 m3/s和下游实测水位135.12 m作为上、下游边界条件。澧河渡槽三维数模网格剖分见图2。

3.3 模拟结果

经模拟，完整还原了2020年6月11日澧河渡槽各种流态现象。

（1） 进口节制闸前水位呈周期性波动，最大波幅约0.5 m，波动周期9 s，左右两槽水面波动存在相反相位差，即一槽出现波峰时另一槽刚好为波谷[1]，节制闸前水位波动见图3。

（2） 出口左右两槽水流以中墩为中心，呈周期性摆动，摆动周期约9 s，摆动还伴随有方向相反的局部涡流向下游传递，即呈现流体力学中典型的“卡门涡街”现象[5-6]，渡槽出口“卡门涡街”现象见图4～5。

（3） 渡槽内出现超常的水面大波动现象，左右两槽波动相位差异呈现随机性，并间歇性出现横梁阻水和局部漫槽现象。

3.4 槽内水面异常波动原因分析

通过三维数模成功复演现状澧河渡槽大流量输水流态后，再结合各种流态改善工程措施研究，共同揭露了现状流态异常产生的根源。

由于渡槽出口中墩墩尾体型宽平，出槽水流在此急剧绕流[7]，水流与墩壁脱离，出现“卡门涡街”现象，导致尾涡周期性脱落摇摆，形成2条周期性交错的挤压逆行波与扩散顺行波，并不断向上游推进（见图6）。对于上游节制闸来说，相当于在闸门下游出现周期性高低变化的水位顶托，过闸水头时大时小，从而使得过闸流量也时大时小，这种流量周期性变化反过来又将引起左右2股出槽水流更加不均，加重了墩尾水流的摆动[8]，即节制闸过闸流量的交替变化与墩尾水流摆动是相互激励的过程[4]，共同造成渡槽水位的剧烈波动，形成相互激励的共振现象[9]。

此外，通过现状流态观测和数值模拟发现，渡槽进出口渐变段拐角位置均存在小范围的回流区，这是由于进口渐变段收缩角和出口渐变段扩散角较大导致，其中出口回流区范围远大于进口。通过现状和工程措施后的流态分析发现，进出口回流区并未对渡槽水面异常波动等整体水流紊乱产生影响，这点从流态优化措施比选结果可以得到印证，即采用导流墩就可消除渡槽水位异常波动，而进一步采用内外侧组合导流墩消除拐角处的回流后，流态并未得到进一步改善。

4 流态改善工程措施研究

4.1 拟定方案

前文通过对现状流态的数值模拟复演，找出了渡槽流态异常产生的根源，即渡槽出口“卡门涡街”现象直接造成了渡槽水位的异常波动。为消除该流态现象，借鉴其他工程经验并结合该工程实际，提出了以下各种可行的导流墩方案，拟定了导流墩体型和初步尺寸（见表2），并在相同参数和边界条件下进行水动力学数值模拟。从中选出既能改善渡槽流态且结构安全、经济实用的导流墩体型，最后再对选定的导流墩体型进行详细的尺寸研究，以确定最为合理的尺寸。

4.2 方案比选

4.2.1 体型方案比选

采用与现状模拟相同的精度和方法构建三维数模，对不同导流墩体型方案在相同参数和边界条件下（进口设计流量320 m3/s、出口设计水位134.11 m）进行水动力学数值模拟。结果表明：除双曲扭面导流墩外，其他体型导流墩均可完全消除出口“卡门涡街”现象，消除渡槽内水面异常波动，但在水流平顺度、流速变化梯度、水头损失、流场等方面略有差别，整体流态改善程度略有不同，不同体型导流墩主要模拟成果见表3，主要体型出口水位纵剖面见图7，出口流速分布见图8。

通过从不同角度对各导流墩体型对比分析，主要结论如下：

（1） 除双曲扭面导流墩外，其他体型导流墩均可消除出口“卡门涡街”和槽内水面异常波动。

（2） 从纵横向水位、流速变化比较渡槽出口水流平顺度为：内外侧组合>等高扭面>流线型>三角形>实用型>三角+直墙型>中墩顺延>双曲扭面>现状。

（3） 等高扭面水头损失最小，三角形、流线型、实用型、中墩顺延、内外侧组合水头损失均非常接近，相差不超过0.005 m，三角+直墙组合导流墩略大，双曲扭面导流墩最大。

（4） 内外侧组合导流墩可消除出口外侧拐角位置的回流现象;中墩顺延导流墩可使回流区范围明显减小;而等高扭面导流墩由于中心出流最集中，回流區范围反而最大;双曲扭面回流区范围同现状一样随尾流摆动呈不确定性;其他体型导流墩回流区范围则相差不大。

综上，从消除渡槽水面异常波动并最大限度改善流态考虑，由好到坏的选择为：内外侧组合>等高扭面>流线型>三角形>实用型>三角+直墙型>中墩顺延>双曲扭面，但从投资、施工难度等方面综合考虑，仍推荐采用三角形导流墩体型。

4.2.2 尺寸方案比选

采用相同的三维数模，对不同长度的三角形导流墩在相同参数和边界条件下进行水动力学数值模拟，以水流平顺度、水头损失、槽内水位波动等作为评价指标，以确定合理的导流墩长度。根据澧河渡槽工程布置，进口导流墩长度在5～20 m范围内选取，出口长度在10～40 m范围内选取。3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2

（1） 進口导流墩尺寸比较。

进口导流墩主要对比墩头墩尾水位落差、水头损失（进口局部段）两项指标，对比结果见表4。

（2） 出口导流墩尺寸比较。

出口导流墩主要对比出口流态、槽内水位波动、水流平顺度和总水头损失几项指标。

流态对比结果显示：出口安装10 m长导流墩后， “卡门涡街”现象仍未消失，但与现状相比尾流摆动幅度和频率有所降低;安装20 m长导流墩后 “卡门涡街”现象基本消失，但仍存在微小摆动;设置30 m和40 m导流墩后尾流摆动现象完全消失。随着导流墩的加长，左右侧流速分布更加对称，出口不同尺寸三角形导流墩流速分布见图9。

通过选取槽内典型特征点（渡槽中点），对比出口设不同长度导流墩时该特征点的水位波动，结果显示10 m长导流墩由于未完全消除尾流摆动，使得槽内水位波动仍达到0.2 m左右，而20，30，40 m长的导流墩则均可使槽内水位波动降低到0.1 m以内，彼此并无明显差别，出口设置不同尺寸三角形导流墩后槽内水位波动见图10。

从水流平顺度来看，随着出口导流墩的加长，渡槽出口水跃幅度逐步降低，高低速水流衔接更加平顺;从水头损失方面比较，10 m长导流墩由于未能彻底解决尾流摆动问题，水头损失最大，导流墩长度从20 m逐步增加到40 m，可使水头损失进一步减小，但减小幅度非常有限，出口设不同长度三角形导流墩后水跃和水头损失对比见表5。

通过从不同角度对进、出口导流墩长度进行对比分析，得出主要结论如下：

① 随着进出口导流墩的加长，水流均变得更加平顺;

② 进口导流墩长度在15 m时，水头损失最小，出口导流墩长度在40 m时，水头损失最小;

③ 出口采用20 m长导流墩后，“卡门涡街”现象基本消失，但尾流仍存在较小幅度的轻微摆动，采用更长的30 m和40 m长导流墩后，尾流摆动现象彻底消失，可完全解决现状流态问题;

④ 出口采用20 m及以上长度导流墩后，槽内已无水位异常波动，20 m及以上尺寸导流墩槽内水位波动幅度无明显差异;

⑤ 随着出口导流墩的加长，左右侧流速分布更加对称。

综上，仅从流态改善角度考虑，推荐采用“进口长15 m+出口长40 m”的导流墩方案。但该工程综合考虑性价比、结构稳定性等其他方面后最终仍采用了“进口长10 m+出口长30 m”的导流墩方案。

5 结 论

（1） 渡槽出口中墩墩尾水流急剧绕流出现“卡门涡街”现象是造成槽内水位异常波动的根源，而由其造成的过闸流量周期性变化又加剧了这种现象，形成相互激励的共振过程，放大了槽内水位的波动。

（2） 三角形导流墩可完全消除出口“卡门涡街”现象，解决槽内水面异常波动的主要问题，流态虽然略差于使用内外侧组合、等高扭面、流线型等体型导流墩，但从工程量、施工难度等方面综合考虑，仍推荐采用该方案。

（3） 从水流平顺度、水头损失等各方面比较，“进口长15 m+出口长40 m”的导流墩尺寸方案流态最优，但从工程性价比、结构稳定性等其他方面综合考虑，最终仍推荐采用“进口长10 m+出口长30 m”的导流墩方案。

参考文献：

[1] 王才欢，王伟，侯冬梅，等.大型输水渡槽水流异常波动成因分析与对策[J].长江科学院院报，2021，38（2）：46-52.

[2] 张洛，后小霞，杨具瑞.边宽尾墩体型对边墙区域水流水力特性的影响研究[J].水力发电学报，2015，34（1）：85-92.

[3] 陈景仁.湍流模型及有限分析法[M].上海：上海交通大学出版社，1989.

[4] 苏铭德，康钦军.亚临界雷诺数下圆柱绕流的大涡模拟[J].力学学报，1999，31（1）：100-105.

[5] 王振东.漫话卡门涡街及其应用[J].力学与实践，2006，28（1）：88-90.

[6] 董双岭，吴颂平.关于卡门涡街形状稳定性的一点分析[J].水动力学研究与进展A辑，2009，24（3）：326-331.

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[8] 张波，何国毅，班学.流场中柔性体摆动尾迹模态分析[J].南昌航空大学学报（自然科学版），2014，28（2）：18-23.

[9] 葛秀坤，赵庆贤，邵辉，等.绕流对称性破缺诱发柔细结构振动研究：以Tacoma大桥风振致毁事故为例[J].防灾减灾工程学报，2011，31（4）：430-435.

（编辑：胡旭东）

Causal analysis on water level abnormal fluctuation in aqueduct and improvement measures：case

of Lihe aqueduct in Middle Route of South to North Water Transfer Project

QU Zhigang，LI Zhengpeng

（Henan Water & Power Engineering Consulting CO.，Ltd.，Zhengzhou 450008，China）

Abstract：

The Middle Route of South to North Water Diversion Project officially started large-flow water diversion in 2020.During this period，it was found that the flow pattern at inlets and exits of some conveyance aqueduct were disordered，the water level in the aqueduct fluctuated abnormally，and the diversion capacity was reduced.Taking Lihe aqueduct as the research object，high precision three-dimensional hydrodynamic numerical model was used to simulate the current flow abnormal phenomenon in Lihe aqueduct.The middle pier at aqueduct exit was relatively flat，which caused water flow sharply around and the Carmen vortex street phenomenon appeared.Pier tail flow swang periodicly causing periodic change of the two streams flow，which in turn increased the swing of the pier tail flow.The two flows motivated each other to form resonance，and enlarged the abnormal fluctuation of the water level.Combined with the actual engineering，different kinds of feasible flow regime optimization engineering measures were put forward.After numerical simualtion analysis，the most suitable engineering measures for the Lihe aqueduct were obtained，namely constructing triangular diversion piers at the upstream and downstream of the middle pier at the aqueduct entrance and exit.Considering the engineering cost performance and structural stability，it is recommended to adopt the size scheme of inlet length 10 m+outlet length 30 m.The research results can provide a reference for the flow regime improvement in the aqueduct of similar water diversion projects.

Key words：

conveyance aqueduct;abnormal fluctuation of water level;carmen vortex street;numerical simulation;flow pattern optimization;Middle Route of South to North Water Transfer Project3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2