跌水跌井设计方案复核及优化措施

颜其林，裴祖兴，王 成，韩 雷

(安徽省引江济淮集团有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

引江济淮工程沟通长江、淮河两大水系，是一项跨流域、跨区域重大战略性水资源配置和综合利用工程。工程建设任务以城乡供水和发展江淮航运为主，结合农业灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境等综合利用。工程为Ⅰ等大(1)型工程，引江规模为300m3/s，引江济淮工程(安徽段)自南向北分为引江济巢、江淮沟通、江水北送三大段。工程建设内容主要包括：引江济巢、江淮沟通段的输水航运河渠和江水北送段的西淝河输水河渠工程，总长度587.4km(其中航道里程总长354.9km)；新建、改建枞阳、庐江、凤凰颈、兆河、白山、派河口、蜀山、东淝闸等8大枢纽工程；新建、改造8座梯级泵站，总装机15.18万kW；新建6处跨河渡槽、倒虹吸等建筑物工程；新建、改建加固跨河桥梁116座(含铁路桥5座)；加固、重建、新建涵闸、跌水、泵站等渠系交叉建筑物395处；建设瓦埠湖、菜子湖影响处理工程和水质保护工程。

引江济淮工程是人工开挖的引水渠道，与天然河道存在不同的跌差及夹角。水流的跌落势必对交汇处的水流流态产生不利影响[1]；同时该引水渠道又具有通航功能，需要控制入渠流速大小，使其满足一定的通航标准要求，从而确保航运安全。根据引江济淮工程初步设计审查意见，通航横向流速控制条件：航道最高通航水位遇20年一遇洪水(泄流工况)，横向流速不大于0.3m/s(通航水域边线，垂直航道中心线)；航道最低控制水位遇5年一遇洪水，横向流速不大于0.15m/s。

目前引江济淮工程菜子湖段共有跌水、跌井等47座；开敞式跌水15座，跌井式跌水32座。为了满足以上通航条件，须对跌水、跌井的消能方式、平面及结构布置等进行研究[2]，使跌水、跌井出流流速、流态平稳，满足支流入渠水流在通航水域内要求。本文以界河跌水为例，采用相关数值模拟软件，针对跌水水流特点，结合计算水力学方法特点和以往数值模拟经验[3-6]，重点从界面处理技术、网格敏感性分析和湍流模型等方面对计算模型进行分析和优化。

1 设计体型

界河跌水位于引江济淮主渠道的左岸侧，桩号56+400，设计体型结构及平面布置如图1所示。界河跌水进口底板高程为13.00m，跌水进口净宽为45.0m，设置二级跌水，汇流口段引江济淮主渠道的底高程为4.20m，跌水中心线与主渠道中心线呈38.5°斜交。界河跌水的代表性主要水流指标见表1。

图1 界河跌水设计体型结构图

表1 界河跌水代表性洪水主要指标

2 计算模型

界河跌水计算模型模拟了一定长度的支流河道、跌水跌井主体结构以及一定长度的上、下游主渠道。支流河道长度截取滚水坝上游25m，主渠道的汇流口上游取顺直河道150m，下游取顺直河道500m，如图2所示。

图2 界河跌水设计体型模型示意图

计算网格采用分块六面体网格；跌水跌坎处及消力池的网格进行加密，网格尺寸在0.2～0.5m之间；汇流口垂向网格间距0.3～0.5m，纵横向网格0.5～2m，输水渠主流向最大网格间距5m。部分浅水支渠底部设边界层，边界层网格尺度0.05～0.1m。界河跌水设计体型计算模型共计117万多个网格。

渠道及支流进口根据流量给定初始速度进口边界条件。下游出口给定压力边界条件，压力分布根据河道下游控制断面水位按照静压分布计算。自由水面为开敞边界，取大气开边界条件。固体壁面为非穿透无滑移边界。

3 设计体型洪水工况条件分析(以5年一遇洪水工况为例)

3.1 跌水水力特性

界河跌水设计体型纵向剖面水流形态如图3所示。界河跌水设置两级跌水，两级跌水均为贴壁流流动。第一级消力池能够形成完整的稳定水跃。由于跌坎方向与跌水轴线斜交，消力池水流左侧第二级跌水跌落水流入池形成淹没射流流态[7-9]。总体来看，消力池内水流横向分配不均，存在明显偏流现象。

图3 界河跌水设计体型纵向剖面水流形态(单位：m/s)

界河跌水设计体型纵向剖面流速云图和矢量图如图4—5所示，第一级跌水最大流速为4.6m/s，第二级跌水最大流速为4.8m/s，第二级消力池主流偏于水流表层，表面流速大，底部流速小。并且水流流速沿横向分布不均匀，主流向中间位置聚集，两侧形成回流区，水下1.0、2.0m处流速分布如图6—7所示。

图4 界河跌水设计体型纵向剖面流速分布图(单位：m/s)

图5 界河跌水设计体型纵向剖面流速矢量分布图(单位：m/s)

图6 界河跌水设计体型汇流口部位水深1m剖面流速分布(单位：m/s)

图7 界河跌水设计体型汇流口部位水深2m剖面流速分布(单位：m/s)

界河跌水设计体型纵向剖面压力分布如图8所示，消力池内各断面沿水深的压力变化接近静水压力分布，渠底高程部位压力最大，其最大时均压力值为38.2kPa，两级跌流的起始部位均出现负压，最大负压-4.87kPa，位于第一级跌水起始位置，第二级跌水起始位置最大负压为-3.1kPa。

图8 界河跌水设计体型纵向剖面压力分布(单位：Pa)

3.2 汇流口流速分布

在5年一遇工况下，界河设计体型汇流口段流速分布与流线如图9所示，主渠航道区域内水流横向流速分布如图10所示。横向流速大于0.15m/s的区域如图中白色区域。航道区域内存在较大的范围其横向流速超过0.15m/s。由于汇流口入流横向流速较大，引起主渠道内汇流口下游的水流出现摆动现象，在较长的主渠道内间断产生横向流速超过0.15m/s的局部区域。计算结果表明，界河跌水设计体型在5年一遇洪水设计工况下不能满足航道内水流横向流速小于0.15m/s的通航条件要求。

图9 界河跌水设计体型汇流口流速及流线示意图(单位：m/s)

图10 界河跌水设计体型汇流口横向流速分布(单位：m/s)

4 设计体型洪水工况分析

界河跌水设计体型满足泄流能力要求；两级消力池都存在偏流现象，消能效果欠佳。但在5年一遇洪水工况下，汇流口下游的主干渠内水流来回摆动，导致航道水域内存在大范围内水流的横向流速大于0.15m/s；20年一遇洪水工况下，汇流口附近较大范围的水流横向流速大于0.3m/s，不能满足通航要求。

界河跌水设计体型在5年一遇工况下，航道区域内存在较大的范围其横向流速超过0.15m/s；在20年一遇工况下，航道区域内存在较大范围内其横向流速超过0.3m/s。究其原因，界河跌水设计体型在通航水域边界处的汇流口宽度为45.0m。5年一遇时，支流流量为117.0m3/s时，其航道边界处断面平均流速为0.37m/s；20年一遇时，支流流量为238.0m3/s时，其航道边界处断面平均流速为0.30m/s。即使在航道边界处完全均流，也不能满足通航条件。而对于明渠水流，即使在顺直渠道的恒定流动条件下，其水流表面流速一般会明显大于断面平均流。因此，需要考虑适当加宽跌水宽度，并在跌水和汇流口区域采取适当的导流分流措施，降低汇流口航道区域内的水流横向流速。

5 推荐体型及优化措施

经与设计单位沟通，对界河跌水的结构体型进行了一系列计算优化，最终确定界河跌水推荐体型如图11所示。整体布置：仍为两级跌水，跌水宽度由45.0m加宽到50.0m(仅在右侧加宽)，跌水和桥墩上移，跌水断面由与支流斜交改为正交；翼墙自一级跌水开始对称扩散，扩散角11°，右侧导墙末端设圆弧导墙进一步扩散，导墙半径700m。消能整流设施：一、二级跌水布置消能坎；汇流口布置一排高4m的整流柱(22个)，其平面位置与主渠第一级马道对齐；汇流口布置高2.75m整流横梁和高11m导流墙，横梁顶高程15.0m，其平面位置与主渠第二级马道对齐，导流墙方向与主渠垂直，并与横梁相交。推荐设计平面图推荐体型计算模型如图12所示。

图11 界河跌水推荐设计方案平面示意图

图12 界河跌水推荐体型计算模型示意图

6 推荐体型洪水工况条件分析(以5年一遇洪水工况为例)

6.1 跌水水力特性

界河跌水推荐体型纵向剖面水流形态如图13所示，界河跌水推荐体型设置两级跌水，两级跌水均形成贴壁流形态。辅助消能工以上水流翻滚，紊动强烈，伴随有卷气现象[10-12]。辅助消能工后水流比较平缓，水面波动小，消能效果良好。

图13 界河跌水推荐体型纵剖面水流形态(单位：m/s)

跌水跌井纵截面流场分布和矢量分布分别如图14—15所示。在每一级跌水处都形成贴壁流，在跌流入水区附近形成一定的旋涡。第一级跌水消力池的池尾附近断面流速分布比较均匀，第二级跌水消力池的出口段主流趋于表层，水流表层流速较大，底部流速较小。消力池内最大速度约6.5m/s左右。经整流梁调整后主流下潜，表面流速减小。

图14 界河跌水推荐体型纵截面速度分布(单位：m/s)

图15 界河跌势跌水推荐体型纵截面速度矢量分布(单位：m/s)

跌水进口段级两级消力池水平剖面流速分布如图16所示，相较于设计体型，两级跌水流速分布比较均匀，消除了汇流口区域的水流聚流现象，汇流口区域流动相对比较缓慢，经过整流梁和均流柱的调节整流，汇流口的表面流速较小，且分布比较均匀。

图16 界河跌水推荐体型段流场分布(单位：m/s)

界河跌水推荐体型纵向剖面压力分布如图17所示，第二级跌水水流潜入底板的部位时均压力最大，最大时均压力为50.01kPa，其他区域压力分布接近静水压力分布。两级跌流的起始部位均出现负压，最大负压分别为-6.22、-4.5kPa。两级跌水消力池内的最大流速小于7.0m/s，跌坎处的负压不大，不会发生空化水流。

图17 界河跌水推荐体型纵截面压力分布(单位：Pa)

6.2 汇流口横向流速分布

5年一遇洪水工况下，界河推荐体型汇流口流速分布与流线如图18所示，汇流口横向流速分布如图19所示。航道水域内水流比较顺畅，没有出现回流现象。航道水域内水流的横向流速大于0.15m/s的区域长度为20m左右，宽度约2.0m，最大横向流速为0.16m/s。综合分析判断界河跌水推荐体型在5年一遇洪水设计工况下能够满足通航条件的要求。

图18 界河跌水推荐体型汇流口流速分布(m/s)及流线

图19 界河跌水推荐体型汇流口横向流速分布(单位：m/s)

7 结论

(1)界河跌水推荐体型的泄流能力满足要求。两级跌水消力池的消能效果良好。

(2)界河跌水推荐体型：在5年一遇洪水设计工况下，汇流口附近航道水域内横向流速大于0.15m/s的局部区域，长度小于为3级航道，代表船型船舶长度的三分之一；在20年一遇洪水设计工况下，汇流口附近航道水域内横向流速大于0.3m/s的局部区域，长度小于为3级航道，代表船型船舶长度的四分之一。航道内水流顺畅，综合分析判断界河跌水推荐体型可以满足的通航条件要求。

(3)通过模拟计算，并采取工程措施，结合后续现场观测，印证了推荐体型分析合理性及可靠性，同时也为类似跌水跌井体型设计和施工提供参考依据。