跌水跌井设计方案复核及优化措施.pdf

设计施工水利规划与设计 年第 期:/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)摘要:为论证引江济淮工程(安徽段)菜子湖段跌水跌井布置形式合理性及消能效果 进而评价河道交汇水流对船舶运行安全的影响 文章通过跌水跌井消能效果和汇流口水流通航条件等两个方面的问题 采用三维数值模拟为主 结合理论分析方法 分析典型跌水跌井初步设计方案的合理性及可能存在的问题 对设计方案进行复核并优化结构物布置形式 改善了跌水跌井泄流和河道通航安全性能 为类似跌水跌井体型设计和施工提供参考依据关键词:跌水跌井 设计 复核 优化中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:颜其林(年)男 高级工程师: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 工程为等大()型工程 引江规模为/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(其中航道里程总长 )新建、改建枞阳、庐江、凤凰颈、兆河、白山、派河口、蜀山、东淝闸等 大枢纽工程 新建、改造 座梯级泵站 总装机 万 新建 处跨河渡槽、倒虹吸等建筑物工程 新建、改建加固跨河桥梁 座(含铁路桥 座)加固、重建、新建涵闸、跌水、泵站等渠系交叉建筑物 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 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 年一遇洪水(泄流工况)横向流速不大于 /(通航水域边线 垂直航道中心线)航道最低控制水位遇 年一遇洪水 横向流速不大于 /目前引江济淮工程菜子湖段共有跌水、跌井等 座 开敞式跌水 座 跌井式跌水 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 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 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 设计体型界河跌水位于引江济淮主渠道的左岸侧 桩号 设计体型结构及平面布置如图 所示界河跌水进口底板高程为 跌水进口净宽为 设置二级跌水 汇流口段引江济淮主渠道的底高程为 跌水中心线与主渠道中心线 年第 期水利规划与设计设计施工呈 斜交 界河跌水的代表性主要水流指标见表 表 界河跌水代表性洪水主要指标标准上游水位/跌水流量/(/)航道水位/航道流量/(/)年一遇 年一遇 图 界河跌水设计体型结构图 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 主渠道的汇流口上游取顺直河道 下游取顺直河道 如图 所示图 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 之间 汇流口垂向网格间距 纵横向网格 输水渠主流向最大网格间距 部分浅水支渠底部设边界层 边界层网格尺度 界河跌水设计体型计算模型共计 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 设计体型洪水工况条件分析(以 年一遇洪水工况为例)跌水水力特性界河跌水设计体型纵向剖面水流形态如图 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 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 界河跌水设计体型纵向剖面水流形态(单位:/)界河跌水设计体型纵向剖面流速云图和矢量图如图 所示 第一级跌水最大流速为 /第二级跌水最大流速为 /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、处流速分布如图 所示图 界河跌水设计体型纵向剖面流速分布图(单位:/)图 界河跌水设计体型纵向剖面流速矢量分布图(单位:/)界河跌水设计体型纵向剖面压力分布如图 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 两级跌流的起始部位均出现负压 最大负压 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 设计施工水利规划与设计 年第 期图 界河跌水设计体型汇流口部位水深 剖面流速分布(单位:/)图 界河跌水设计体型汇流口部位水深 剖面流速分布(单位:/)图 界河跌水设计体型纵向剖面压力分布(单位:)图 界河跌水设计体型汇流口流速及流线示意图(单位:/)汇流口流速分布在 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 所示 主渠航道区域内水流横向流速分布如图 所示 横向流速大于/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 /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 /的局部区域 计算结果表明 界河跌水设计体型在 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 /的通航条件要求图 界河跌水设计体型汇流口横向流速分布(单位:/)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 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 /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 /不能满足通航要求界河跌水设计体型在 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 /在 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 /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 年一遇时 支流流量为 /时 其航道边界处断面平均流速为 /年一遇时支流流量为 /时 其航道边界处断面平均流速为 /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 年第 期水利规划与设计设计施工 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 所示 整体布置:仍为两级跌水 跌水宽度由 加宽到 (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 右侧导墙末端设圆弧导墙进一步扩散 导墙半径 消能整流设施:一、二级跌水布置消能坎 汇流口布置一排高 的整流柱(个)其平面位置与主渠第一级马道对齐 汇流口布置高 整流横梁和高 导流墙 横梁顶高程 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 所示整流柱整流横梁导流墙消力坎消力坎高1 m高1 m高1 2 m高2.7 5 m高4 m整流横梁图 界河跌水推荐设计方案平面示意图图 界河跌水推荐体型计算模型示意图 推荐体型洪水工况条件分析(以 年一遇洪水工况为例)跌水水力特性界河跌水推荐体型纵向剖面水流形态如图 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 辅助消能工后水流比较平缓 水面波动小 消能效果良好图 界河跌水推荐体型纵剖面水流形态(单位:/)跌水跌井纵截面流场分布和矢量分布分别如图 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/左右 经整流梁调整后主流下潜 表面流速减小图 界河跌水推荐体型纵截面速度分布(单位:/)图 界河跌势跌水推荐体型纵截面速度矢量分布(单位:/)跌水进口段级两级消力池水平剖面流速分布如图 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 界河跌水推荐体型段流场分布(单位:/)设计施工水利规划与设计 年第 期界河跌水推荐体型纵向剖面压力分布如图 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 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 、两级跌水消力池内的最大流速小于 /跌坎处的负压不大 不会发生空化水流图 界河跌水推荐体型纵截面压力分布(单位:)汇流口横向流速分布 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 所示 汇流口横向流速分布如图 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/的区域长度为 左右 宽度约 最大横向流速为 /综合分析判断界河跌水图 界河跌水推荐体型汇流口流速分布(/)及流线图 界河跌水推荐体型汇流口横向流速分布(单位:/)推荐体型在 年一遇洪水设计工况下能够满足通航条件的要求 结论()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()界河跌水推荐体型:在 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/的局部区域 长度小于为 级航道 代表船型船舶长度的三分之一 在 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/的局部区域 长度小于为 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()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参考文献 杨子江 冯帅 李天华.引江济淮工程杨大庄跌水入渠横向流速控制优化研究.治淮():.余挺 邓军 夏勇 等.翻卷水舌鼻坎挑流的紊流数值模拟.水利水电技术():.麦麦提江艾买提.溢洪道挑流水舌形状数值模拟计算研究.水利技术监督():.梁尚英.高坝溢洪道挑流消能探讨.水利规划与设计():.黄继艳.台阶式溢洪道数值仿真研究.水利规划与设计():.李彩霞.台阶式溢洪道泄流规律数值研究.水利规划与设计():.郭红民 陈昌仕 夏修宝 等.水石门水电站溢流表空挑流能数值模拟.水电能源科学():.段疆 王瑞科.黑河河道气动闸人工湖库尾跌水工程设计方案探析.水利规划与设计():.陆思.四家子跌水工程设计.水利规划与设计():.张辉 虞邦义 王久晟.引江济淮工程某跌井三维数值模拟研究.水利规划与设计():.蔡新明.自由跌水紊流数值模拟.浙江工业大学.虞佳颖 陈菊芬 陈振华 等.挑流消能预留冲刷坑的数值模拟研究.水利规划与设计():.