南水北調(diào)中線輸水渡槽流態(tài)優(yōu)化原型觀測(cè)試驗(yàn)評(píng)價(jià)

馬山玉，李釗，屈志剛，樊夢(mèng)灑，洪興

（1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司河南分公司，河南 鄭州 450016）

1 工程概況

澧河渡槽是南水北調(diào)中線干線工程跨越澧河的渠河交叉建筑物，位于河南省平頂山市葉縣境內(nèi)。設(shè)計(jì)輸水流量320 m3/s，加大流量380 m3/s。渡槽采用雙槽布置形式，渡槽總長(zhǎng)736 m，渡槽為矩形截面，寬10 m，設(shè)計(jì)水深6.13 m、加大水深6.83 m，渡槽頂部設(shè)拉桿橫梁，底部距離加大水位0.10 m。渡槽進(jìn)、出口閘室中隔墩厚度5 m，進(jìn)口中隔墩端部倒角半徑1.80 m，出口中隔墩尾部倒角1.30 m；渡槽上、下游采用漸變段與梯形總干渠連接。

2020 年4 月末，中線工程開啟運(yùn)行以來(lái)第一次大流量輸水，在此期間，澧河渡槽、十二里河渡槽等多座渡槽出現(xiàn)流態(tài)紊亂現(xiàn)象，槽內(nèi)水位異常波動(dòng)，渡槽出口出現(xiàn)明顯的卡門渦街現(xiàn)象，一定程度上制約了調(diào)水能力，影響了工程運(yùn)行安全和效益發(fā)揮，亟須研究流態(tài)紊亂的原因并提出流態(tài)優(yōu)化工程措施。

再參考南京三叉河河口閘過(guò)閘水流流態(tài)改善措施、南水北調(diào)東線江都泵站Y 形導(dǎo)流墩改造方案和南水北調(diào)中線工程十二里河渡槽流態(tài)優(yōu)化措施的基礎(chǔ)上，以澧河渡槽為典型，基于高精度三維水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型開展了輸水渡槽流態(tài)分析研究，基于3D 打印模型和水工模型開展了流態(tài)定性研究，推薦在渡槽進(jìn)、出口新建三角形導(dǎo)流墩，工程措施實(shí)施后可節(jié)省水頭損失、改善渡槽及出口流態(tài)、提高流速、增大流量和確保渡槽的過(guò)流能力。結(jié)合研究成果，設(shè)計(jì)了導(dǎo)流墩結(jié)構(gòu)和施工方案，在動(dòng)水作業(yè)環(huán)境下，將分層、分段預(yù)制的裝配式薄壁空腔混凝土墩體，在水面分段安裝后下沉就位，分別完成了澧河渡槽出口30 m長(zhǎng)導(dǎo)流墩和進(jìn)口10+1 m長(zhǎng)均流導(dǎo)流墩的施工。

2 原型觀測(cè)

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬和物模研究成果的準(zhǔn)確性、可靠性，便于將流態(tài)優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)和研究成果在其他流態(tài)紊亂的渡槽和倒虹吸推廣，指導(dǎo)新建渡槽工程設(shè)計(jì)和施工，以澧河渡槽導(dǎo)流墩實(shí)施過(guò)程為原型開展觀測(cè)試驗(yàn)研究。

原型觀測(cè)試驗(yàn)以專項(xiàng)觀測(cè)和常態(tài)觀測(cè)兩種方式開展，專項(xiàng)觀測(cè)以出口導(dǎo)流墩實(shí)施前、出口導(dǎo)流墩實(shí)施過(guò)程、出口導(dǎo)流墩實(shí)施完畢后加大流量輸水、進(jìn)口導(dǎo)流墩實(shí)施后加大流量輸水等4 個(gè)時(shí)期，對(duì)渡槽的上游、進(jìn)口、出口和下游的水位、波幅等開展原型觀測(cè)研究；常態(tài)觀測(cè)包括建筑物流量、進(jìn)口節(jié)制閘上下游水位、節(jié)制閘開度等。采用無(wú)人機(jī)、相機(jī)等拍攝視頻和照片，觀察記錄流態(tài)。

2.1 專項(xiàng)觀測(cè)設(shè)施

針對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、精度要求高等特點(diǎn)，研制了激光式自動(dòng)測(cè)量水位計(jì)，分別布置在渡槽上游500 m 斷面、進(jìn)口漸變段起點(diǎn)斷面、進(jìn)口漸變段終點(diǎn)斷面、渡槽進(jìn)口過(guò)渡段終點(diǎn)斷面、槽身段中點(diǎn)斷面、渡槽出口過(guò)渡段起點(diǎn)斷面、出口漸變段起點(diǎn)斷面、出口漸變段終點(diǎn)斷面、下游500 m渠道斷面9個(gè)觀測(cè)斷面。

2.2 常規(guī)觀測(cè)設(shè)施

中線工程各輸水建筑物在閘室段均設(shè)有1 套自動(dòng)流量和水位監(jiān)測(cè)設(shè)備，常年24 h 運(yùn)行，每半小時(shí)自動(dòng)記錄1 次水情數(shù)據(jù)并入庫(kù)，包括流量、節(jié)制閘上游水位和節(jié)制閘下游水位、各節(jié)制閘門開度。建筑物進(jìn)出口各布設(shè)有1 根水尺，在大流量輸水期間，專人定期人工水情監(jiān)測(cè)。這些數(shù)據(jù)直接采用，作為原型觀測(cè)的常規(guī)數(shù)據(jù)。

2.3 原型觀測(cè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)

2021 年4 月底，中線工程加大入渠流量，澧河渡槽流量提高到320 m3/s 的量級(jí)，澧河渡槽進(jìn)口節(jié)制閘全開，除創(chuàng)造加大流量輸水條件外，原型觀測(cè)期間，澧河渡槽進(jìn)口節(jié)制閘門均為全開狀態(tài)。

澧河渡槽出口導(dǎo)流墩共10 段，每段長(zhǎng)度1.80 ～6.00 m 不等，從5 月3 日開始第1段安裝至5 月24 日完成第10 段安裝施工，平均2 d 安裝一段。6 月8-10 日，不增加入渠流量，利用澧河渡槽上游渠道蓄水，調(diào)節(jié)下游澎河節(jié)制閘、涌高澧河渡槽下游水位至加大水位，創(chuàng)造加大流量的條件，于6 月10 日9時(shí)，開始大流量輸水驗(yàn)證。

進(jìn)口導(dǎo)流墩共4段，長(zhǎng)10+1 m，從7 月5 日開始至7 月24日完成安裝施工。為驗(yàn)證進(jìn)口導(dǎo)流墩實(shí)施后的流態(tài)改善效果，采用同6 月10 日的加大流量調(diào)度方案，于11月2 日再次啟動(dòng)大流量輸水驗(yàn)證。

2.4 流態(tài)和水位觀測(cè)

為觀測(cè)對(duì)比導(dǎo)流墩實(shí)施前后，渡槽內(nèi)、進(jìn)出口流態(tài)的變化，采用無(wú)人機(jī)、相機(jī)等攝像設(shè)備，通過(guò)照片和視頻記錄水流狀態(tài)，采用人工實(shí)測(cè)水位波動(dòng)數(shù)據(jù)。

3 原型觀測(cè)試驗(yàn)成果

專項(xiàng)觀測(cè)設(shè)施從2021 年4 月15 日至2021 年11 月3 日連續(xù)監(jiān)測(cè)形成水位數(shù)據(jù)，時(shí)間間距15 min，總觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)18 923組。為便于與試驗(yàn)期間水情專項(xiàng)觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)相互校驗(yàn)，此次特截取并整理了相同時(shí)期的常態(tài)化水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)9 670組。同時(shí)整理了2020 年加大流量期間的常態(tài)化水情數(shù)據(jù)，用于對(duì)比加大流量狀態(tài)下導(dǎo)流墩實(shí)施的效果。

3.1 專項(xiàng)觀察水位數(shù)據(jù)

根據(jù)水動(dòng)力學(xué)規(guī)律，渡槽進(jìn)口前500 m、渡槽進(jìn)口、渡槽出口、渡槽出口后500 m 這4 個(gè)斷面位置的觀測(cè)水位存在一定的邏輯關(guān)系，可以此驗(yàn)證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。分別為：①當(dāng)渡槽節(jié)制閘全開時(shí)，渡槽進(jìn)口上游渠道和出口下游渠道為均勻流狀態(tài)，這兩段渠道上下游水位坡度應(yīng)接近于渠道縱坡，兩者水位之差應(yīng)接近于渠底高差。②節(jié)制閘全開狀態(tài)下，流量越大各斷面位置水位越高。

將原型觀察關(guān)鍵時(shí)期的數(shù)據(jù)整理篩選，按日平均、半小時(shí)平均，統(tǒng)計(jì)出典型原型觀察數(shù)據(jù)。

3.2 原型觀察數(shù)據(jù)可靠性分析

從典型時(shí)期數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在節(jié)制閘全開的關(guān)鍵時(shí)期，渡槽進(jìn)口前500 m平均水位大于渡槽進(jìn)口平均水位，平均水位差1.76×10-2m，水面平均坡度1/28 380，與設(shè)計(jì)渠底高差0.02 m和設(shè)計(jì)渠底縱坡1/25 000 接近。

通過(guò)對(duì)比出口導(dǎo)流墩施工期和進(jìn)口導(dǎo)流墩施工期流量、水位可知，出口導(dǎo)流墩施工期平均流量318.60 m3/s，較進(jìn)口導(dǎo)流墩施工期平均流量312.70 m3/s大，相應(yīng)時(shí)期進(jìn)口前500 m和進(jìn)口水位也較大，平均水位分別高出0.02 m和0.02 m。

綜上，選取典型觀測(cè)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)符合水動(dòng)力學(xué)規(guī)律，邏輯合理，數(shù)據(jù)可靠。

4 原型觀察試驗(yàn)成果評(píng)價(jià)

輸水渡槽流態(tài)優(yōu)化原型觀察試驗(yàn)，從流態(tài)改善程度、水頭損失、槽內(nèi)水位波動(dòng)、過(guò)流能力等四部分開展成果評(píng)價(jià)。

4.1 流態(tài)改善程度

為充分對(duì)比出口導(dǎo)流墩實(shí)施前后渡槽出口流態(tài)差異，選取大、小兩種不同流量下典型時(shí)期所觀測(cè)的出口流態(tài)進(jìn)行對(duì)比，分別為：出口導(dǎo)流墩實(shí)施前大流量輸水典型期（2020 年6 月11 日18：00，流量350 m3/s）和出口導(dǎo)流墩實(shí)施后大流量輸水試驗(yàn)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）進(jìn)行對(duì)比，渡槽出口流態(tài)對(duì)比見(jiàn)圖1。渡槽出口及槽內(nèi)流態(tài)紊亂、水位異常波動(dòng)現(xiàn)象消除，渡槽出口高速水流向下游推進(jìn)約400 m。

圖1 出口導(dǎo)流墩實(shí)施前后渡槽出口流態(tài)對(duì)比圖

4.2 水頭損失對(duì)比

將常態(tài)化水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與專項(xiàng)水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合分析，每日平均流量由自動(dòng)流量觀測(cè)儀器每半小時(shí)1條、每日48條流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取平均值得到；每日上下游水位由專項(xiàng)水情觀測(cè)儀器每15 min 1 條、每日96 條流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取平均值得到?？紤]到渡槽進(jìn)出口流態(tài)并不穩(wěn)定且存在水上施工平臺(tái)的干擾，渡槽水頭損失除采用進(jìn)出口水位相減計(jì)算外，還同時(shí)采用上下游500 處水位相減計(jì)算。為了對(duì)比渡槽在不同流量下的水頭損失，特引入單位流量消耗水頭的概念，即水頭損失/流量，單位為mm/（m3/s）。出口導(dǎo)流墩實(shí)施前后典型時(shí)期原型觀測(cè)數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表1，以進(jìn)出口水位差計(jì)算水頭損失的單位流量消耗水頭曲線見(jiàn)圖2。

表1 出口導(dǎo)流墩實(shí)施前后典型時(shí)期原型觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表

圖2 單位流量消耗水頭曲線圖

4.3 水位波動(dòng)對(duì)比

2020 年大流量輸水期間，流量小于300 m3/s 時(shí)，槽內(nèi)水位波動(dòng)幅度在0.10 m 以內(nèi)；當(dāng)流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量320 m3/s 時(shí)，槽內(nèi)水位波動(dòng)幅度迅速增大，達(dá)到0.20～0.40 m；當(dāng)流量超過(guò)330 m3/s 時(shí)，槽內(nèi)水體開始拍打橫梁，并因橫梁阻水出現(xiàn)局部溢水現(xiàn)象，槽內(nèi)水位波動(dòng)幅度達(dá)到0.50～0.70 m；當(dāng)流量達(dá)到350 m3/s時(shí)，漫槽現(xiàn)象頻發(fā)，槽內(nèi)水位波動(dòng)幅度在1 m 以上。

2021年6月10日大流量輸水試驗(yàn)期間，渡槽流量由290 m3/s逐步增大至346 m3/s期間，渡槽由輸水正常逐步演變?yōu)榫植颗拇驒M梁，槽內(nèi)水位波動(dòng)約0.10 m，局部位置可達(dá)到0.20 m；流量由346 m3/s 逐步增大至380 m3/s 時(shí)，雖然過(guò)槽流量逐步增大，但下游渠道流速也開始逐步加速，渡槽內(nèi)水流反而逐步變得平順，拍打橫梁頻次、范圍和幅度降低，槽內(nèi)水位波動(dòng)也由0.10～0.20 m，逐步降低到0.10 m以內(nèi)；流量維持在370 m3/s 以上時(shí)，下游渠道已經(jīng)過(guò)渡到正常流速，渡槽整體流態(tài)平穩(wěn)，右槽未再出現(xiàn)拍打橫梁現(xiàn)象，左槽也僅在局部位置偶爾出現(xiàn)輕微拍打橫梁現(xiàn)象，槽內(nèi)水位波動(dòng)一直維持在0.10 m以內(nèi)。2021年11月2日水位波動(dòng)情況與6 月2 日近似，不再贅述。

4.4 過(guò)流能力對(duì)比

2020年大流量輸水期間，流量超過(guò)331 m3/s 時(shí)，槽內(nèi)水體開始大范圍拍打橫梁，因橫梁阻水出現(xiàn)局部溢水，需要開啟退水閘、增設(shè)防濺板確保渡槽輸水安全，可認(rèn)為導(dǎo)流墩實(shí)施前，渡槽最大過(guò)流能力約為331 m3/s。①出口導(dǎo)流墩實(shí)施后過(guò)流能力，2021年6 月10 日大流量輸水試驗(yàn)，流量從316.50 m3/s 逐步增加到峰值流量378 m3/s，渡槽內(nèi)水位波動(dòng)在約5～7 cm，水位距渡槽橫梁底仍有約0.15 m凈空。此次試驗(yàn)流量360 m3/s以上持續(xù)約2 h，370 m3/s以上持續(xù)約0.30 h，以378 m3/s 過(guò)流能力計(jì)算，出口導(dǎo)流墩實(shí)施后渡槽過(guò)流能力提高了14.80%。②進(jìn)口導(dǎo)流墩實(shí)施后過(guò)流能力2021年11 月2 日大流量輸水試驗(yàn)，渡槽流量從291 m3/s 逐步增加到峰值385 m3/s，此時(shí)渡槽內(nèi)水位波動(dòng)約5 cm，左槽水位距橫梁底有約0.10 m凈空，右槽水位距橫梁底有約0.13 m凈空。渡槽流量360 m3/s以上持續(xù)約4 h，370 m3/s以上持續(xù)約2 h，380 m3/s以上持續(xù)約0.50 h，最高過(guò)槽流量385 m3/s。進(jìn)出口導(dǎo)流墩全部實(shí)施后，相比渡槽原狀過(guò)流能力提高了16.30%。

5 結(jié)語(yǔ)

①澧河渡槽出口導(dǎo)流墩實(shí)施后，進(jìn)出口流態(tài)顯著改善；進(jìn)口導(dǎo)流墩實(shí)施后，并未明顯影響槽身和出口流態(tài)，但使進(jìn)口水流更加平順。②出口導(dǎo)流墩實(shí)施過(guò)程中，水頭損失逐步降低，與數(shù)模分析的不同長(zhǎng)度導(dǎo)流墩水頭損失趨勢(shì)一致。出口實(shí)施完畢后，渡槽水頭損失明顯降低；進(jìn)口導(dǎo)流墩實(shí)施后，渡槽水頭損失進(jìn)一步降低。③出口導(dǎo)流墩實(shí)施后，基本消除了大流量輸水條件下槽內(nèi)水位異常波動(dòng)；進(jìn)口導(dǎo)流墩實(shí)施后，并未對(duì)槽內(nèi)水位波動(dòng)產(chǎn)生明顯影響。④出口導(dǎo)流墩實(shí)施后，渡槽過(guò)流能力大幅提升；進(jìn)口導(dǎo)流墩實(shí)施后，渡槽過(guò)流能力再次小幅提高。

綜上，原型觀測(cè)方法可行，數(shù)據(jù)可靠，達(dá)到觀測(cè)試驗(yàn)分析預(yù)期目標(biāo)。導(dǎo)流墩實(shí)施前后原型觀測(cè)的流態(tài)、水位波動(dòng)情況、水頭損失和過(guò)流能力與數(shù)值模型計(jì)算成果一致，數(shù)值模擬輸水建筑物流態(tài)紊亂的方法和工程解決措施技術(shù)可行，可在類似項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。