岸堤水库堤防围堰导流施工下泵闸前池水力与水沙特征研究

2023-02-06田红霞

水电站机电技术 2023年1期

田红霞

（山东省临沂市河东区应急救援指挥服务中心，山东临沂 276000）

1 引言

水利工程的建设常需要设计围堰导流，而不同的围堰导流施工方案，对已有水工设施的运营安全乃是重大考验。因而，研究已有水工建筑三维渗流特征与围堰导流方案很有必要[1]。对于水工建筑渗流场特征研究，何志亚等[2]、郑利娜等[3]采用了水工模型试验方法，从室内试验模型角度考虑水利工程的流速、时均压强及浸润线等水力特征，特别是从水工模型不同边界状态，评价工程设计利弊性。朱俊亚等[4]为研究围堰结构的三维渗流场特征，采用Fluent 等流场计算平台，分析了围堰三维流态特征。关盛旺[5]、唐兰兰[6]为探讨围堰施工方案，从围堰施工导流设计优化进行研究，从工程优化布置、堰体设计等多方面，分析围堰方案技术优势，推动工程建设与围堰施工安全。由此可见，围堰施工方案，不仅对水工结构的安全运营具有重要影响，同样可利于工程建设。本文探讨不同围堰施工方案与不同导流量下，水库泵闸前池内三维渗流场影响变化，推动围堰方案优化设计。

2 工程设计

2.1 工程概况

作为临沂地区重要供水枢纽，岸堤水库承担着防洪、灌溉、排涝、输供水及发电等综合水利功能。岸堤水库心墙防洪堤坝剖面如图1 所示，其坝基位于覆盖厚度分布在50 m～200 m，以粗砂、粉质壤土、碎石土等为主。泵闸工程乃是下游输水运营的关键，其装配有多个动力设施，前池轴长为12 m，坡度为1/0.5，具备排涝、输水功能，是岸堤水库发挥水利作用的重要载体。由于水库上游临沂河挟沙水流影响，导致心墙坝、泵闸等均出现一定的磨蚀，且泥沙淤积造成蓄水、泄洪能力降低。为此，考虑对岸堤水库上游临沂河进行清淤整治，且采用围堰导流方式，确保岸堤水库水工设施运营正常。因而，针对不同围堰导流方式，开展岸堤水库水工设施的渗流安全研究很有必要，本文以岸堤水库泵闸工程为研究对象。

图1 心墙堤坝几何模型

2.2 设计仿真

图2 为围堰施工设计平面形式。围堰导流方式岸堤水库实际现状，考虑有两段式围堰法、三段式围堰法及全段围堰法3 种施工方式，泵闸工程位于明渠中游，上、下游围堰的导流量及导流方式设定均会显著影响泵闸运营。

图2 围堰施工设计平面形式

本文采用Fluent 建立起岸堤水库泵站前池模型，图3 为构建起的前池三维计算模型，该模型为直线型变坡度前池，与水库引水泵闸工程前池设计一致，模型全轴长为28 m，最宽处为3.2 m，最大引流量按照实际工况的相似比尺20 换算，设定为120 m3/s。

图3 前池三维计算模型

利用CFD 流场计算网格划分方法，对前池进行网格划分。围堰导流施工作用于模型边界，如两段式围堰施工工艺下，进、出水口流体边界均为半流模型状态；且分别在两段式、三段式及全段式围堰中设定有半开度闸门、1/4 开度闸门及全开闸门形式，闸门模型的建立内嵌在前池模型中，3 种方案中结构体型保持一致[7]。围堰导流量研究方案按照岸堤水库泄流量标准，设定为150 m3/s、200 m3/s、300 m3/s、350 m3/s、400 m3/s、450 m3/s、500 m3/s。基于不同围堰施工方案下计算，探讨岸堤水库围堰导流下泵闸前池等水工设施的运营安全。

3 围堰施工对前池流速特征影响

3.1 围堰形式

为研究不同施工工艺下围堰施工对前池流速特征影响，基于3 种不同围堰形式下三维流场计算，获得了前池内各断面处流速变化特征，如图4 所示。从图中可知，流速水平最高为全段式围堰施工形式，其流速分布为0.52 m/s～1.29 m/s，而两段式与三段式围堰施工下流速较之前者分别减少了51%～74.9%、2.9%～29.9%。从流速变化特征来看，全段式、三段式围堰施工下，流速最高断面位于前池中部断面，均位于断面12 m，后流速呈递减变化，即此两种围堰施工方式下流速呈先增后减变化；在前池轴线低于断面12 m 时，全段式围堰施工下，流速具有平均增幅20.1%，而三段式围堰下流速增幅较之前者较低，具有平均增幅15.9%；由此可知，三段式与全段式围堰施工方式下，前池内流速会在中部形成一个漩涡状，而进、出水口处水体会逐步裹挟至中部，导致泥沙会沉积在进、出水口等区段，而中部泥沙淤积程度会较低。相比之下，两段式流速呈递增-稳定两阶段变化特征，第一阶段的递增持续至断面18 m 处，平均增幅为10.5%，而在第二阶段流速持续稳定至1.03 m/s，此时流速处于“ 饱和”状态，无较大波动，最大变幅不超过0.2%。分析表明，两段式围堰施工下，由于水体会在前池近迎水侧形成稳定流态，且围堰两段式流体与前池内双侧水体形成契合[8]，对池内流场稳定性影响较小。

图4 不同围堰施工方案下池内断面处流速变化特征

3.2 导流量

从围堰导流施工方案下前池流速对比，可认为两段式导流施工更能保证水工设施运营稳定性，故本文研究导流量的影响时，只考虑两段式围堰施工方案，如图5 所示。

从图5 中可知，当围堰导流量愈大，整体上池内流速水平愈高，但流速水平的升高具有变幅差异，当导流量为150 m3/s 时，池内断面流速分布为0.34 m/s～0.41 m/s，平均流速为0.41 m/s，而当导流量增大至200 m3/s、300 m3/s，其流速分布较前者增长了9.9%～40.1%、35.6%～72.6%，平均流速分别增大了24.8%、60.5%；但在导流量为400 m3/s、500 m3/s时，平均流速较之导流量300 m3/s 下分别增大了35.8%～81%、1.1～1.8 倍。从增幅区间的变化来看，当导流量为150 m3/s～350 m3/s 时，方案中每梯次导流量的增长，可引起池内断面平均流速增长21.1%，其中最大增幅为34.1%，而在导流量为350 m3/s～500 m3/s区间内，其平均流速的增幅可达29.8%，最大增幅可达34.1%。由此可知，围堰导流量对池内流速影响在高流量方案下更为显著，特别是围堰导流量超过350 m3/s 后，池内流速水平显著增长。

图5 不同导流量下池内断面处流速变化特征

另一方面，流速水平的变化具有显著差异，当围堰导流量低于350 m3/s 时，仅在池内某些断面上存在波幅段，甚至在导流量150 m3/s、200 m3/s 方案中，波幅段不显著，最大波幅仅为3%、5%。当导流量为400 m3/s、500 m3/s 等方案中时，池内流速在各断面上无稳态段，最大变幅分别可达17.7%、18.5%，总体上流速受控程度低于导流量较小方案。综上分析可知，围堰导流量过高，会影响前池内流速稳定性，控制围堰导流量在合理区间内更为安全；从本文计算结果可知，围堰导流量350 m3/s 时较为适配。

4 围堰施工对泵站水沙特征影响

根据对3 种围堰施工方案下不同导流量前池断面上含沙量特征分析，获得如图6 所示含沙量演化结果。从图中可知，3 种围堰施工方案下，以两段式围堰导流下含沙量水平最低，当处于同一导流量150 m3/s 下，其含沙量分布为0.34 kg/m3～1.08 kg/m3，平均含沙量仅为0.67 kg/m3，而三段式、全段式围堰方案下平均含沙量较之分别增大了1.02～2.3 倍、68.5%～1.1 倍。不仅如此，当导流量愈大，三段式、全段式含沙量与之差幅愈为显著，表明导流量会放大不同围堰导流方案下排沙、控沙差异。从导流量影响含沙量变化可知，当导流量愈大，断面含沙量愈高，但3 种围堰导流方案的含沙量增幅均在导流量350 m3/s 后才具显著。

图6 池内断面含沙量特征

从含沙量变化特征可知，两段式围堰导流方案下含沙量增幅较稳定，而全段式、三段式围堰导流方案下均有双段增幅特征，以导流量250 m3/s 下为例，前者在前池断面2 m～16 m 上具有较低增幅，平均增幅为3.7%，而后者在断面16 m～28 m 上具有平均增幅16.2%，而三段式围堰在12 m 后含沙量具有较显著增幅。由此可知，全段式、三段式围堰含沙量的变化会在断面上呈不同梯次演变，而两段式围堰排沙状态较稳定，含沙量的变幅稳定性及增幅均处于较低水平。