南水北调中线输水渡槽流态优化原型观测试验评价

马山玉，李钊，屈志刚，樊梦洒，洪兴

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016；2.中国南水北调集团中线有限公司河南分公司，河南 郑州 450016）

1 工程概况

澧河渡槽是南水北调中线干线工程跨越澧河的渠河交叉建筑物，位于河南省平顶山市叶县境内。设计输水流量320 m3/s，加大流量380 m3/s。渡槽采用双槽布置形式，渡槽总长736 m，渡槽为矩形截面，宽10 m，设计水深6.13 m、加大水深6.83 m，渡槽顶部设拉杆横梁，底部距离加大水位0.10 m。渡槽进、出口闸室中隔墩厚度5 m，进口中隔墩端部倒角半径1.80 m，出口中隔墩尾部倒角1.30 m；渡槽上、下游采用渐变段与梯形总干渠连接。

2020 年4 月末，中线工程开启运行以来第一次大流量输水，在此期间，澧河渡槽、十二里河渡槽等多座渡槽出现流态紊乱现象，槽内水位异常波动，渡槽出口出现明显的卡门涡街现象，一定程度上制约了调水能力，影响了工程运行安全和效益发挥，亟须研究流态紊乱的原因并提出流态优化工程措施。

再参考南京三叉河河口闸过闸水流流态改善措施、南水北调东线江都泵站Y 形导流墩改造方案和南水北调中线工程十二里河渡槽流态优化措施的基础上，以澧河渡槽为典型，基于高精度三维水动力学数值模型开展了输水渡槽流态分析研究，基于3D 打印模型和水工模型开展了流态定性研究，推荐在渡槽进、出口新建三角形导流墩，工程措施实施后可节省水头损失、改善渡槽及出口流态、提高流速、增大流量和确保渡槽的过流能力。结合研究成果，设计了导流墩结构和施工方案，在动水作业环境下，将分层、分段预制的装配式薄壁空腔混凝土墩体，在水面分段安装后下沉就位，分别完成了澧河渡槽出口30 m长导流墩和进口10+1 m长均流导流墩的施工。

2 原型观测

为了验证数值模拟和物模研究成果的准确性、可靠性，便于将流态优化的关键技术和研究成果在其他流态紊乱的渡槽和倒虹吸推广，指导新建渡槽工程设计和施工，以澧河渡槽导流墩实施过程为原型开展观测试验研究。

原型观测试验以专项观测和常态观测两种方式开展，专项观测以出口导流墩实施前、出口导流墩实施过程、出口导流墩实施完毕后加大流量输水、进口导流墩实施后加大流量输水等4 个时期，对渡槽的上游、进口、出口和下游的水位、波幅等开展原型观测研究；常态观测包括建筑物流量、进口节制闸上下游水位、节制闸开度等。采用无人机、相机等拍摄视频和照片，观察记录流态。

2.1 专项观测设施

针对数据自动采集、精度要求高等特点，研制了激光式自动测量水位计，分别布置在渡槽上游500 m 断面、进口渐变段起点断面、进口渐变段终点断面、渡槽进口过渡段终点断面、槽身段中点断面、渡槽出口过渡段起点断面、出口渐变段起点断面、出口渐变段终点断面、下游500 m渠道断面9个观测断面。

2.2 常规观测设施

中线工程各输水建筑物在闸室段均设有1 套自动流量和水位监测设备，常年24 h 运行，每半小时自动记录1 次水情数据并入库，包括流量、节制闸上游水位和节制闸下游水位、各节制闸门开度。建筑物进出口各布设有1 根水尺，在大流量输水期间，专人定期人工水情监测。这些数据直接采用，作为原型观测的常规数据。

2.3 原型观测关键时间节点

2021 年4 月底，中线工程加大入渠流量，澧河渡槽流量提高到320 m3/s 的量级，澧河渡槽进口节制闸全开，除创造加大流量输水条件外，原型观测期间，澧河渡槽进口节制闸门均为全开状态。

澧河渡槽出口导流墩共10 段，每段长度1.80 ～6.00 m 不等，从5 月3 日开始第1段安装至5 月24 日完成第10 段安装施工，平均2 d 安装一段。6 月8-10 日，不增加入渠流量，利用澧河渡槽上游渠道蓄水，调节下游澎河节制闸、涌高澧河渡槽下游水位至加大水位，创造加大流量的条件，于6 月10 日9时，开始大流量输水验证。

进口导流墩共4段，长10+1 m，从7 月5 日开始至7 月24日完成安装施工。为验证进口导流墩实施后的流态改善效果，采用同6 月10 日的加大流量调度方案，于11月2 日再次启动大流量输水验证。

2.4 流态和水位观测

为观测对比导流墩实施前后，渡槽内、进出口流态的变化，采用无人机、相机等摄像设备，通过照片和视频记录水流状态，采用人工实测水位波动数据。

3 原型观测试验成果

专项观测设施从2021 年4 月15 日至2021 年11 月3 日连续监测形成水位数据，时间间距15 min，总观测记录数据18 923组。为便于与试验期间水情专项观测结果数据相互校验，此次特截取并整理了相同时期的常态化水情监测数据，观测记录数据9 670组。同时整理了2020 年加大流量期间的常态化水情数据，用于对比加大流量状态下导流墩实施的效果。

3.1 专项观察水位数据

根据水动力学规律，渡槽进口前500 m、渡槽进口、渡槽出口、渡槽出口后500 m 这4 个断面位置的观测水位存在一定的逻辑关系，可以此验证监测数据的准确性。分别为：①当渡槽节制闸全开时，渡槽进口上游渠道和出口下游渠道为均匀流状态，这两段渠道上下游水位坡度应接近于渠道纵坡，两者水位之差应接近于渠底高差。②节制闸全开状态下，流量越大各断面位置水位越高。

将原型观察关键时期的数据整理筛选，按日平均、半小时平均，统计出典型原型观察数据。

3.2 原型观察数据可靠性分析

从典型时期数据对比可知，在节制闸全开的关键时期，渡槽进口前500 m平均水位大于渡槽进口平均水位，平均水位差1.76×10-2m，水面平均坡度1/28 380，与设计渠底高差0.02 m和设计渠底纵坡1/25 000 接近。

通过对比出口导流墩施工期和进口导流墩施工期流量、水位可知，出口导流墩施工期平均流量318.60 m3/s，较进口导流墩施工期平均流量312.70 m3/s大，相应时期进口前500 m和进口水位也较大，平均水位分别高出0.02 m和0.02 m。

综上，选取典型观测期监测数据符合水动力学规律，逻辑合理，数据可靠。

4 原型观察试验成果评价

输水渡槽流态优化原型观察试验，从流态改善程度、水头损失、槽内水位波动、过流能力等四部分开展成果评价。

4.1 流态改善程度

为充分对比出口导流墩实施前后渡槽出口流态差异，选取大、小两种不同流量下典型时期所观测的出口流态进行对比，分别为：出口导流墩实施前大流量输水典型期（2020 年6 月11 日18：00，流量350 m3/s）和出口导流墩实施后大流量输水试验期（2021 年6月10日11：45，流量378 m3/s；2021年6 月10 日14：00，流量352 m3/s）进行对比，渡槽出口流态对比见图1。渡槽出口及槽内流态紊乱、水位异常波动现象消除，渡槽出口高速水流向下游推进约400 m。

图1 出口导流墩实施前后渡槽出口流态对比图

4.2 水头损失对比

将常态化水情监测数据与专项水情监测数据结合分析，每日平均流量由自动流量观测仪器每半小时1条、每日48条流量监测数据取平均值得到；每日上下游水位由专项水情观测仪器每15 min 1 条、每日96 条流量监测数据取平均值得到。考虑到渡槽进出口流态并不稳定且存在水上施工平台的干扰，渡槽水头损失除采用进出口水位相减计算外，还同时采用上下游500 处水位相减计算。为了对比渡槽在不同流量下的水头损失，特引入单位流量消耗水头的概念，即水头损失/流量，单位为mm/（m3/s）。出口导流墩实施前后典型时期原型观测数据分析见表1，以进出口水位差计算水头损失的单位流量消耗水头曲线见图2。

表1 出口导流墩实施前后典型时期原型观测数据分析表

图2 单位流量消耗水头曲线图

4.3 水位波动对比

2020 年大流量输水期间，流量小于300 m3/s 时，槽内水位波动幅度在0.10 m 以内；当流量达到设计流量320 m3/s 时，槽内水位波动幅度迅速增大，达到0.20～0.40 m；当流量超过330 m3/s 时，槽内水体开始拍打横梁，并因横梁阻水出现局部溢水现象，槽内水位波动幅度达到0.50～0.70 m；当流量达到350 m3/s时，漫槽现象频发，槽内水位波动幅度在1 m 以上。

2021年6月10日大流量输水试验期间，渡槽流量由290 m3/s逐步增大至346 m3/s期间，渡槽由输水正常逐步演变为局部拍打横梁，槽内水位波动约0.10 m，局部位置可达到0.20 m；流量由346 m3/s 逐步增大至380 m3/s 时，虽然过槽流量逐步增大，但下游渠道流速也开始逐步加速，渡槽内水流反而逐步变得平顺，拍打横梁频次、范围和幅度降低，槽内水位波动也由0.10～0.20 m，逐步降低到0.10 m以内；流量维持在370 m3/s 以上时，下游渠道已经过渡到正常流速，渡槽整体流态平稳，右槽未再出现拍打横梁现象，左槽也仅在局部位置偶尔出现轻微拍打横梁现象，槽内水位波动一直维持在0.10 m以内。2021年11月2日水位波动情况与6 月2 日近似，不再赘述。

4.4 过流能力对比

2020年大流量输水期间，流量超过331 m3/s 时，槽内水体开始大范围拍打横梁，因横梁阻水出现局部溢水，需要开启退水闸、增设防溅板确保渡槽输水安全，可认为导流墩实施前，渡槽最大过流能力约为331 m3/s。①出口导流墩实施后过流能力，2021年6 月10 日大流量输水试验，流量从316.50 m3/s 逐步增加到峰值流量378 m3/s，渡槽内水位波动在约5～7 cm，水位距渡槽横梁底仍有约0.15 m净空。此次试验流量360 m3/s以上持续约2 h，370 m3/s以上持续约0.30 h，以378 m3/s 过流能力计算，出口导流墩实施后渡槽过流能力提高了14.80%。②进口导流墩实施后过流能力2021年11 月2 日大流量输水试验，渡槽流量从291 m3/s 逐步增加到峰值385 m3/s，此时渡槽内水位波动约5 cm，左槽水位距横梁底有约0.10 m净空，右槽水位距横梁底有约0.13 m净空。渡槽流量360 m3/s以上持续约4 h，370 m3/s以上持续约2 h，380 m3/s以上持续约0.50 h，最高过槽流量385 m3/s。进出口导流墩全部实施后，相比渡槽原状过流能力提高了16.30%。

5 结语

①澧河渡槽出口导流墩实施后，进出口流态显著改善；进口导流墩实施后，并未明显影响槽身和出口流态，但使进口水流更加平顺。②出口导流墩实施过程中，水头损失逐步降低，与数模分析的不同长度导流墩水头损失趋势一致。出口实施完毕后，渡槽水头损失明显降低；进口导流墩实施后，渡槽水头损失进一步降低。③出口导流墩实施后，基本消除了大流量输水条件下槽内水位异常波动；进口导流墩实施后，并未对槽内水位波动产生明显影响。④出口导流墩实施后，渡槽过流能力大幅提升；进口导流墩实施后，渡槽过流能力再次小幅提高。

综上，原型观测方法可行，数据可靠，达到观测试验分析预期目标。导流墩实施前后原型观测的流态、水位波动情况、水头损失和过流能力与数值模型计算成果一致，数值模拟输水建筑物流态紊乱的方法和工程解决措施技术可行，可在类似项目中推广应用。