水资源是维护生态平衡、支撑社会经济发展的重要自然资源。中国水资源总量多,但人均占有量少,并且在分布上呈现南多北少、东多西少的特点,水资源分布不均已然成为所面临的主要问题。为了解决该问题,调水工程作为跨区域水资源配置的手段应运而生。从都江堰到南水北调工程,通过构建复杂的输水网络,将丰水区的水资源输送至缺水区,在一定程度上实现了水资源的空间再分配,为干旱地区的发展注入了新的活力。
目前中外学者在调水工程方面的研究取得了一定的成果。张社荣等
[1]为了实现泵站群运行管控在引调水工程中提质增效的目的,提出泵站群运行管控数字孪生引擎构建方法。Kumshe等
[2]提出了一种基于自编码器、卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)和长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)的混合模型进行短期日径流预报,可为调水工程中流量的动态监测与调度决策提供技术支撑。Yang等
[3]利用一种哈里斯鹰优化算法(Harris hawks optimization,HHO)和反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)的混合模型,有效提升了中长期需水量预测的精度与稳定性,为区域水资源规划、跨流域水资源调配提供了科学依据。魏新平等
[4]利用三维有限差分地下水流模型(modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model,MODFLOW)对苏干湖盆地地下水动态进行数值模拟,选取0.8×10
8、0.9×10
8、1.0×10
8、1.2×10
8 m
3/年共4种调水方案进行50年预测,为跨流域调水工程对苏干湖盆地生态环境的影响评价以及调水规模的确立提供了科学理论依据。付湘等
[5]针对长江黄河跨流域多线路调水,围绕跨流域水网构建了“源-流-网-配”协同优化模型,提出了基于非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)和合作博弈的协同优化算法,从而实现水网资源的灵活配置。在调水工程的众多研究方向中,流态优化研究占据着至关重要的地位。输水过程中的水流状态直接影响输水效率、管道安全和能耗水平,不合理的流态可能导致水头损失增大、管道磨损增加以及水锤等安全隐患。李民康等
[6]在明流洞内衔接池后端设置消波梁结构体,布置1∶15水工模型试验,结果显示消波梁优化方案的下游洞内波幅减小了2/3。董静等
[7]为改善调水工程中卜形岔管出现局部低压形成危害性水流的现象,提出设置椭圆弧形倒角岔管,通过数值模拟与模型试验发现椭圆弧形倒角岔管可有效改善岔管低压分布,提高其抗空化性能。练继建等
[8]为解决长距离调水工程中因蓄量超调导致的水位剧烈波动等问题,构建了一种基于蓄量部分补偿的前馈控制优化模型,通过多种工况仿真研究,结果表明,该模型可以有效降低水位波动。此外,针对水流流态的研究,侯春尧等
[9]基于分离涡算法(detached eddy simulation,DES)和流体体积法(volume of fluid,VOF)模拟分析了泄洪消能结构中水流脉动特性。钟振宇等
[10]以向家坝枢纽高低跌坎式出流消力池为例,模拟了泄洪模式对水流流态的影响。李云位等
[11]开展了泵站前池过流流态的研究,有效消除了进水渠与引渠衔接处采用的90°弯布局处的回流区、漩涡等问题。
输配水系统需依据总体布局和地形地质条件布设各类渠系建筑物,分水口、节制闸、陡坡、跌水、消力池、退水闸等节点建筑物数量庞大。在节点建筑物内部、相邻建筑物连接段及附近上下游渠道内,往往伴随着漩涡、回流、涌浪、振荡等不利流态,易出现局部段落设计超高不足引发漫顶风险,或建筑物迎水表面因水流长期剧烈波动淘蚀而受损等问题。因此,调水工程复杂工况下消波方案的选择以及消波效果的研究值得深入探索。
基于此,以解决甘肃中部严重缺水的标志性大型跨流域调水工程——引洮供水二期工程为例,聚焦陡坡建筑物末端“Y型”分水与退水布置这一典型场景,采用模型试验研究的方法,研究消波板和导流板两种消波措施在抑制水面波动幅度和改善流场结构等方面的应用效果,以减轻波动水流引发的水位骤变、闸门振动、结构空蚀磨损等对建筑物和控制设施结构稳定的不利影响。研究成果对工程运行调度和同类工程设计建设具有重要参考价值。
1 工程概况
引洮供水工程是甘肃中部地区大型跨流域调水工程,工程规模为大(Ⅱ)型,分两期建设,其中二期工程主要建设内容为:总干渠1条,长95.09 km;干渠及分干渠8条,长299.97 km;供水管线18条,长176.47 km。七干渠自总干渠祁家湾分水,总长70.69 km,设计流量2.80 m
3/s,加大流量3.10 m
3/s,桩号0+985.33~1+295.66段布置有长度310.33 m的矩形箱涵式陡坡,总落差60.66 m,陡坡末端经消力池消能后“Y型”分水与退水。工程于2022年年底建成运行后,在正常运行工况下,消力池及“Y型”分岔段水面呈周期性剧烈波动,间隔性“拍门和翻闸”,为研究非稳定流产生原因和防止工程运行事故,特对消力池、整流段和“Y型”分岔段建筑物系统进行水工模型试验,提出解决措施。工程布置如
图1所示。
2 试验模型的建立
2.1 模型几何比尺选取原则
模型按重力相似几何正态准则设计,兼顾考虑阻力相似。根据实际建筑物体型大小,结合试验场地和建造成本等因素,经比选拟定几何比尺λL=10,相应其他物理量比尺如下。
流速比尺:
λV=${\lambda }_{L}^{0.5}$=3.162
流量比尺:
λQ=${\lambda }_{L}^{2.5}$=316.23
压强比尺:
λp=λL=10
糙率比尺:
λn=λ1/6L=1.468
2.2 数据采集设备和方法
为研究“Y型”分岔段的水面波动和流态变化,搭建了如
图2所示的试验系统,该系统主要由稳水箱、渠道、尾水箱、地下水库、电磁流量计和阀门组成。试验运行时,打开阀门,水流从地下水库进入稳水箱,经过陡坡到消力池,在消力池会产生水跃,然后到达整流段,最后流经“Y型”分岔段进入两个尾水箱到达地下水库。
陡坡进水侧流量采用电磁流量计计量,计算机控制采集,出水侧采用标准矩形薄壁堰校准;陡坡流速采用计算机多点同步采集,光电流速仪测量,数码摄像结合目测观测水流流态;建筑物内水位(水深)利用测针量测。
2.3 模型工况和水位量测断面布置
模型流量按工程设计和实际运行的4种输水工况设定,实际所需不同流量工况0.5~3.1 m
3/s,即最小流量0.5 m
3/s、常用流量1.5 m
3/s、设计流量2.8 m
3/s和加大流量3.1 m
3/s,对应模型流量分别为1.58、4.74、8.85、9.80 L/s。水位(水深)量测断面主要设置在建筑物体型变化引起流态改变或其过渡部位,共设置10个,布置位置如
图1(b)所示,且在每个断面均测量水面波动的最小和最大水位,最后将模型结果按照相应比尺换算成原型进行分析。
3 试验结果与分析
3.1 水面波动和流态
4种流量工况下建筑物内水深和水流流态分别如
表1和
表2所示。
由消力池和“Y型”分岔段水位(水深)和流态变化可以看出,在最小流量Q=0.5 m3/s输水工况下,池内水位差小,水流并未沿底部进入消力池,未形成有效水跃,水体表底交换不明显,消力池和“Y型”分岔段水面波动明显,最大波动幅度约0.33 m(断面4、9、10);流量增大至Q=1.5 m3/s和 2.8 m3/s 时,水流进入消力池内时能量较大,主流沿底部进入消力池,产生明显水跃,消力池内水体表底交换明显,呈现底流消能的特征,池内水面波动明显,“Y型”分岔段水面波动幅度增大,分别可达约0.45 m和0.7 m(断面8~10);流量加大至Q=3.10 m3/s时,消力池内水体表底交换剧烈,呈翻滚状,翻滚状水跃已接近消力池顶板(断面4),“Y型”分岔段受退水闸及两侧边壁影响,水面波动幅度和范围很大,最大0.95 m(断面10)。
3.2 水面波动原因分析
小流量时(Q=0.5 m3/s),能量以波动形式传递至下游,撞击刚性边界(退水闸门、中隔墩)产生反向压力波,反向波与前进波相位差固定形成驻波叠加,波腹位于“Y型”分岔段;中大流量时(Q≥1.5 m3/s),因消力池进口段水流与消力池内水流存在较大的速度梯度,激发水跃紊流,水跃区产生强紊动压力脉动波,向下游传播,在撞击刚性边界时,形成反射波逆流而上,与前行波遭遇时叠加,产生放大干涉效应(即共振现象),水位周期性异常波动和流态紊乱,剧烈振荡。
分析可知,在小流量和中大流量时,消力池内水面波动产生的原因并不相同,但均在池内产生水面波并向下游传播,与反向波相遇叠加产生水力振荡
[12]。这与工程实际运行过程中出现的水面波动情况基本相同,反映在“Y型”分岔段水力振荡剧烈、退水闸闸门位置呈现规律性“拍门和翻闸”现象,试验结果与实际运行状况高度吻合,说明边界反射机制模拟准确、模型比尺选择合理,能够指导工程实践。
4 消波措施与效果评价
水利工程中水力振荡易引发水流频繁撞击闸体及闸门等结构,导致材料振动疲劳甚至开裂损毁、破坏止水设施,严重影响工程的安全运行与使用寿命。为有效降低水力振荡强度并减小振幅,保障工程安全运行,提出增设消波板和导流板两种简单易实施的消波改造方案。
(1)消波板方案。该方案是基于大小流量水面波产生缘由不同,以分段“消除波动能量”为主要思路,在多波动源耦合场景下通过分级消减实现全域控波,即在消力池和整流段水流表面采取压波、阻隔,并在“Y型”分岔段设置透空阻隔等组合措施,消减水面正、反向波和其叠加影响,减小水体表面波动幅度,降低水力振荡强度的措施
[13]。具体措施是在消力池顶部加设135°折线角透空压波板(孔径250 mm,孔距450 mm),在整流段顶部设阻隔墙,并在“Y型”分岔段进口加设透空板(孔径250 mm,孔距400 mm),共三项消波措施
[14]。同时,为便于量测消波措施上、下游水位,在各项消波措施前后增设4个水位(水深)量测断面(断面11~断面14),如
图3所示。
(2)导流板方案。该方案是结合工程运行方式,以“疏导波动能量”为主要思路,直击分岔段驻波共振核心矛盾,在“Y型”分岔段设置导流板,通过疏导水流流向,尽可能避免退水闸一侧反向波的产生和减小前行波与可能的反向波叠加,以期达到减小水体表面波动幅度,防止“拍门和翻闸”现象发生
[15]。具体措施是以分水闸一侧为主流方向设置弧线形导流板,将“Y型”分岔段物理阻隔,前段封闭、后段下部预留退水孔,强制退水闸一侧由明流连通变为孔流连通,退水工况下由堰流调整为孔流退水,各水位(水深)量测断面与原方案一致,如
图4所示。
4.1 消波板消波效果
增设消波板后4种输水流量下建筑物内水位与流态分别如
表3和
表4所示。
增设消波板措施后水位和流态(
表3、
表4)与未采取措施水位和流态(
表1、
表2)对比,可以得出如下结论。
(1)最小流量0.5 m3/s时,因流量小、水位低,水流从透空板(“Y型”分岔段处第三项措施)孔洞流过,过水断面减小,透空板前水位有不同程度小幅壅高,振幅变化不大,透空板后断面9、断面10波动振幅由0.33 m消减至0.10 m,消波幅度约70%。
(2)常用流量1.50 m3/s时,透空板阻流作用明显,板前水位进一步壅高,消力池位置水位触及压波板下部,压波板之前水面波动幅度变化不大(断面1~断面3),前后水位差约0.10 m,经压波板压消后各断面(断面4~断面8)水面振幅由0.25~0.45 m减小至0.1~0.15 m,透空板前后水位相差约0.25 m,透空板之后最大波动振幅由0.45 m消减至0.20 m(断面10),折线压波板之后水流流态较稳定,水面波动不明显,通过压波板+透空板协同壅水消能和消波,消波幅度约60%。
(3)设计流量2.80 m3/s和加大流量3.10 m3/s时,三项措施均有不同程度壅高水位,透空板前后水位相差约0.4 m和0.50 m,阻隔墙前后水位相差约0.1 m和0.30 m,压波板前后水位相差约0.1 m和0.20 m,在三项措施压波、阻隔和透空阻流共同作用下,消力池出口后各断面(断面4~断面14)水面振幅由0.45~0.7 m和0.45~0.95 m减小至 0.1~0.15 m,三项措施同时作用,消波幅度78%~84%。
在各流量工况下,三项措施逐项组合对波幅有明显消减和抑制作用,建筑物内水力振荡强度明显降低,说明消波板方案消波效果良好,可有效解决退水闸间隔性“拍门和翻闸”现象。
4.2 导流板消波效果
同样,对4种输水流量工况进行模型试验,建筑物内水位与流态分别如
表5和
表6所示。
增设导流板措施后水位和流态(
表5、
表6)与未采取措施水位和流态(
表1、
表2)对比,可以得出如下结论。
(1)小流量0.50 m3/s和常用流量1.50 m3/s时,导流板两侧水位无明显差别,小流量上游各断面波动振幅变化不大,退水闸前水面波动振幅由0.33 m消减至约0.1 m(断面9、断面10),常用流量原方案分岔之前(断面6),各断面波动振幅变化不大,设置导流板分岔点后各断面(断面6~断面10)水面波动振幅由最大约0.45消减至0.1~0.2 m,与原方案相比,小流量工况消波幅度约70%、中流量55%~75%。
(2)设计流量2.80 m3/s和加大流量3.10 m3/s时,导流板两侧水位差约为0.1 m,消力池后各段面(断面4~断面10)波动振幅均有消减,最大(断面9、断面10)由0.70 m和1.00 m消减至约 0.20 m,消波幅度70%~80%。
导流板物理分隔水体,对水流有明显导向作用,减缓了两侧水体交换速度,导流板引导了前行波的传播方向,破坏了其驻波叠加效应。在各流量工况下,水力振荡强度明显降低,与消波板方案相比,中大流量未进行动、势能转换(无水位壅高),消波效果同样明显,亦可有效解决退水闸间隔性“拍门和翻闸”现象。
5 讨论
箱涵等输水建筑物的水位(水深)是工程设计和运行过程中需要考虑的重要指标之一,为避免大流量输水出现明满流交替的不利工况,需复核建筑物内水面线,两方案常用流量1.50 m
3/s和加大流量3.10 m
3/s建筑物内水面及波动范围如
图5、
图6所示。
由
图5可知,消波板方案常用流量和加大流量输水工况下,消力池内水面波动幅度较大位置位于消力池内,最大约为0.25 m和0.4 m(断面3、断面11),其后水流在行进过程中所出现的水面波动幅度均≤0.2 m。常用流量工况下,消力池及整流段最高水位距顶面0.75~0.95 m(断面3~断面6);加大流量工况下,与原方案对比消力池水面最低水位提升0.85~0.4 m(断面3、断面5),水位明显壅高,且最高水位达2.8 m(断面3、断面11),水气混合物触及消力池顶板,出现瞬态满流现象,需依赖通气孔补排气,整流段最高水位距池顶约0.35 m。
由
图6可知,导流板方案常用流量和加大流量输水工况下,以平稳层流主导,消力池及整流段水面波动幅度均≤0.3 m(断面3~断面6)。加大流量工况下,消力池内最高水位1.9 m(断面3),整流段最高水位1.05 m(断面5、断面6),消力池及整流段最高水位距顶面0.8~0.75 m(断面3~断面6)。
综上所述,大流量输水情况下,两方案消力池内水面波动幅度稍大,其后水流在行进过程中所出现的水面波动较少。消波板方案消力池壅水明显,水气混合物触及消力池顶板,出现瞬态满流现象,需依赖通气孔补排气(气蚀风险需长期运行监测);导流板方案以平稳层流主导,消力池内水位距池顶余度较大。引调水工程中,产生水力振荡的本质是封闭边界下形成驻波系统
[16]。解决方案需从“能量耗散”或“流态重构”切入,设置消波板或导流板,消波板通过能量耗散实现波动衰减,导流板通过流态重构阻断反射路径,两方案的研究为“Y型”分流退水结构的水力振荡问题提供了关键技术支撑,均能保障类似输水建筑物的安全运行,工程设计和建设,应综合安全性、耐久性及工程需求优选工程方案。导流板方案通过流态重构(明流改孔流)从根本上切断了水力振荡的反射链,具流态重构稳定性(消除驻波生成条件),虽在小流量时振幅消减率略低于消波板,但其无壅水触顶气蚀风险、具有结构耐久性强的特性,本工程运行要求流态控制优先于能量耗减,推荐采用导流板方案对工程实施改造。该工程于2023年底完成实施,目前输水运行平稳,安全可靠。
6 结论
(1)试验研究进一步验证了水力振荡产生机理和水面波动形成机制:即初始波动产生的原因是陡坡高速水流进入消力池后强烈紊动,形成大振幅水面波,在撞击固体边壁(退水闸门、中隔墩)时产生反向波,与前行波叠加共振。结果表明:陡坡末端经消能整流后 “Y型”布置是在波动能量未完全耗散条件下分水与退水,因断面结构临界突变使退水侧封闭形成驻波系统,产生水面剧烈波动的非理想静态水面(即水力振荡)。
(2)消波板方案通过透流阻尼(消波板孔隙)和表流分隔(顶部阻隔墙)耗散波动能量,降低波幅,经三项消波措施耦合调整水流流态,中小流量时水面波动振幅可消减60%~70%,较大流量时可达约75%~85%,能够有效降低水力振荡强度,减小退水闸前水面波动,在通过大流量时消力池壅水明显,水气混合物触及消力池顶板,需依赖通气孔补排气(建筑物顶部设有补排气孔,气蚀风险需长期运行监测),能够满足工程安全运行条件。
(3)导流板方案在“Y型”分岔处设导流板,物理分隔水体,消除封闭边界的反射效应,强制退水闸一侧由明流连通变为孔流连通,阻断了驻波形成介质的连续性,切断前行波与反射波的传播路径,并引导前行波传播方向,消除封闭边界的反射效应,实现驻波破坏,较小流量时水面波动振幅可消减约55%~75%,较大流量时可达70%~80%,也可有效降低水力振荡强度,减小退水闸前水面波动,同样能够满足工程安全运行条件。
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