不同消波工程措施对渡槽水位波动影响研究

张 宇

(四川省水利规划研究院，四川 成都 610072)

引水工程是优化地区水资源时空配置的重大工程，在规划设计和修建引水工程中，会出现跨越河渠、溪谷、洼地、铁路、公路等情况，此时就需要修建大型渡槽[1-2]。渡槽在设计时，要考虑渡槽内水位波动的影响，如果水位波动较大，不仅会产生纵向行进波，对渡槽造成冲蚀和淘刷，同时还会产生周期性的横向波动，对渡槽造成疲劳损伤，给渡槽的安全和稳定运行带来重要影响，因此有必要对大型渡槽的消波工程措施进行专项研究[3-7]。

四川毗河供水1期工程设计灌溉面积333.23万亩，工程等别属I等，相应工程规模为大(1)型灌区，主要由取水枢纽、渠系工程、灌区囤蓄水库及提灌工程等组成。总干渠全长156.3km，主要由明渠、隧洞、渡槽、倒虹管等组成，其中渡槽共计56座，总长27.75km，占总干渠渠线长度的17.8%。渡槽最大架设高度为46.5m，单段最大长度为3674m，采用钢筋砼拱支承结构，渡槽槽身、墩台、墩身分别采用C50、C30和C25混凝土。本文以其中一段渡槽为研究对象，对渡槽设计过程中存在的问题进行分析，根据存在的问题提出了多种消波工程措施，并通过数值模拟方式对不同措施的消波效果进行对比，以期能为大型渡槽工程规划设计提供指导。

1 渡槽原设计方案水位波动分析

1.1 渡槽原设计方案

四川毗河供水1期工程某段渡槽采用双线双槽布置型式，如图1所示。从上到下依次分为进口段、渐变段、闸室、进口连接段、渡槽段、出口连接段、闸室、渐变段、出口段等结构组成，长度分别为60、40、26、20、60、20、15、60、60m，渡槽高度为7.8m，槽身采用开口箱型渡槽，分两跨布置，每跨渡槽的长度为30m，双槽中隔壁墩的厚度大小为5m，尾墩为圆弧形，上下游干渠的断面型式为梯型。设计流量下上下游水位差为0.16m，加大流量下上下游水位差为0.17m。

图1 原渡槽设计方案

1.2 水位波动模拟分析

利用Solid Works软件建立渡槽模型并将其转换为Flow-3D流体计算软件可以识别的格式[8]，然后利用Flow-3D软件对模型进行六面体网格划分(网格总数量1030000个，其中流体网格和固体网格数量分别为710000个和320000个)，接着利用N-S控制方程和RNG k-ε湍流模型对渡槽的水位波动情况进行分析，水流雷诺系数取值为9.34×106，流量为340m3/s，水流粘滞性系数取值为0.001N·s/m2，渠道糙率取值为0.014，模拟总时长为30min。

选取不同的时间点汇出渡槽的水深情况，见图2。通过水深情况，对渡槽的波动进行进行分析，结果表明：渡槽内在设计流量下水位的最大波动幅度达到0.8m，平均波动幅度为0.58m，水位波动幅度较大。分析其原因：一是因为渡槽的中隔壁尾墩为半圆形，由于在出口尾墩处水流汇流急速，导致双列卡门涡街现象的产生；二是因为渡槽的长度过短，仅为60m，即使包括闸室和连接段，总长也仅为141m，渡槽出口尾墩处形成的双列卡门涡街现象会造成左右槽漩涡出现相位差，导致漩涡的波峰波谷对称向上游传递，而由于渡槽的长度过短，从而导致渡槽内的进口处的流量也会发生变化，两者叠加(差异流量+波动)使得渡槽内出现共振现象，最终导致在渡槽内会出现较大幅度的水位波动问题，对于结构的稳定与安全是极为不利的，因此需要增设消波工程措施。

图2 渡槽槽身段水深变化云图

2 消波工程措施方案设计

为了减小渡槽内的水位波动现象，提出了两种控制水位波动的措施：一是在尾墩处增加导流消波工程措施，从而消除或者减小漩涡对水位波动的影响；二是在渡槽槽身段增加底坎消波工程措施，从而消除或者减小尾涡向上传递带来的波动影响。

增加导流消波工程措施优化设计方案示意如图3所示。该方案包括两种：①将原始半圆形尾墩延长成椭圆形；②将原始半圆形尾墩延长成双圆弧形。对于延长成椭圆形的情况，是指保持Y轴为5m不变，将X轴(尾墩长度)分别从2.5m(原设计状态)延长至3m、5m、8m和15m；对于延长成双圆弧形的情况，是指圆弧半径从2.5m增大至4m、10m、16m和40m，相应的尾墩长度分别延长至3m、5m、8m和15m。

图3 增加导流消波工程措施方案

增加底坎消波工程措施方案如图4所示。该方案包括5种：①在渡槽的右侧出口处增加1个流线型底坎；②在渡槽右侧出口处增加1个齿坎型底坎；③分别在渡槽的右侧、左侧出口处各增加1个齿坎型底坎，两个底坎错位间距为5m；④在渡槽右侧出口处增加2个相同的齿坎型底坎，两个底坎相隔7m；⑤在渡槽的右侧出口处增加两个交错的齿坎型底坎，两个底坎的间距为7m；5种方案下的底坎高度均为1.5m。为了下文便于分析，将5种工况分别编号为K1～K5。

3 消波工程措施消波效果对比

在每种消波工程措施设计方案下，除了尾墩之外，均采用与原设计方案一致的参数进行模拟，限于文章篇幅，本文仅将模拟计算得到的不同优化方案下的最大水位波动幅度情况进行总结和对比。

3.1 增加导流工程控制消波效果对比

不同椭圆形尾墩优化设计方案下的最大水位波动幅度情况如图5所示。从图5中可知：随着尾墩长度的增加，渡槽槽身内的最大水位波动幅度呈逐渐减小的变化特征，且前期降幅较快，后期降幅较慢，当渡槽尾墩长度从原设计的2.5m增加至3m后，最大水位波动幅度从0.8m降低至0.42m，降低幅度为47.5%，当尾墩长度增加至5m后，最大水位波动幅度为0.18m，相比原设计方案降低幅度达到77.5%，当尾墩长度增加至8m后，最大水位波动幅度为0.12m，相比原设计方案降低幅度达到85%，当尾墩长度继续增加至15m后，最大水位波动幅度降至0.09m，相比原设计方案降低幅度达到88.75%。通过以上分析可知：当尾墩长度超过8m后，继续增加尾墩长度虽然可以降低最大水位波动幅度，但效果不再明显，因此椭圆形尾墩的最佳长度为8m。

图4 增加底坎消波工程措施方案示意

图5 不同椭圆形尾墩长度下最大波动幅度

不同双圆弧形尾墩优化设计方案下的最大水位波动幅度情况如图6所示。从图6中可知：随着圆弧形尾墩长度的增加，渡槽内的最大水位波动情况也呈逐渐减小的变化特征，且变化趋势与椭圆形尾墩优化方案下一致；当尾墩长度从2.5m增加至3m后，最大水位波动幅度从0.8m降低至0.4m，降低幅度为50%，当尾墩长度增加至5m后，最大水位波动幅度为0.23m，相比原设计方案降低幅度达到71.25%，当尾墩长度增加至8m后，最大水位波动幅度为0.15m，相比原设计方案降低幅度达到81.25%，当尾墩长度继续增加至15m后，最大水位波动幅度降至0.14m，相比原设计方案降低幅度达到82.5%，故尾墩长度最佳长度也为8m。当尾墩长度均增加至最佳长度8m后，椭圆形和双圆弧形的最大波动幅度分别为0.12m和0.15m，因此，增加导流工程控制措施对水位波动幅度进行控制时宜优先选用椭圆形尾墩。

图6 不同双圆弧形尾墩长度下最大波动幅度

3.2 增加底坎消波工程控制措施消波效果对比

不同底坎消波工程措施下的最大水位波动幅度情况如图7所示。从图7中可知：当在渡槽槽身中增加1个流线型底坎(K1)后，最大水位波动高度为0.265m，相比原设计方案降低66.875%，当在渡槽右侧出口处增加1个齿坎型底坎后(K2)，最大水位波动幅度为0.285m，相比原设计方案降低64.375%，当在渡槽右、左两侧出口处各增加1个齿坎型底坎(K3)后，最大水位波动幅度为0.255m，相比原设计方案降低68.125%，当在渡槽右侧出口处增加2个相同的齿坎型底坎(K4)后，最大水位波动幅度为0.195m，相比原设计方案降低75.625%，当在渡槽的右侧出口处增加两个交错的齿坎型底坎(K5)后，最大水位波动幅度仅为0.15m，相比原设计方案降低81.25%。从5种消波改进方案对比可知：同等水文参数情况下，K5方案的消波效果最佳，故在利用增加底坎消波工程措施时，宜优先选用在渡槽的右侧出口处布置两个间距为7m的交错齿坎型底坎。

图7 不同底坎消波工程措施下最大水位波动幅度

4 结论

针对毗河供水1期工程渡槽设计出现水位波动幅度较大问题，对其进行优化设计模拟研究，得出如下结论与建议：

(1)随着尾墩长度的增加，渡槽内的最大水位波动幅度呈逐渐减小的变化特征；椭圆形尾墩的消波效果优于双圆弧形尾墩，当椭圆形尾墩长度达到8m后，最大水位波动幅度仅为0.12m，相比原设计方案降低85%。

(2)当在渡槽的右侧出口处布置两个间距为7m的交错齿坎型底坎时，渡槽中的最大水位波动幅度仅为0.15m，相比原设计方案降低了81.25%，为最佳的底坎消波布置型式。

(3)限于试验条件限制，还未进行物理模型试验来对数值模拟结果进行进一步验证，这将在今后做进一步补充。