楊開林　吳換營　郭新蕾　郭永鑫

摘要:王慶坨連接井是一個T型分流/匯流水工建筑物,是聯(lián)接南水北調(diào)中線天津段干線工程與王慶坨水庫的重要樞紐?，F(xiàn)通過實(shí)體模型試驗(yàn),利用三維超聲波流速儀量測不同水力條件下連接井內(nèi)的流速分布,提出了在連接井內(nèi)設(shè)置品字型墻均流防渦裝置的新技術(shù)。“品”字型均流防渦裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:在連接井出口閘兩導(dǎo)墻延長線及連接井中軸線上平行布置三排導(dǎo)流墻,形成“品”字型導(dǎo)流結(jié)構(gòu),通過調(diào)節(jié)三個導(dǎo)流墻的相對位置,達(dá)到使下游多孔箱涵分流均勻,且防止連接井內(nèi)形成較大立軸漩渦帶氣進(jìn)入下游箱涵。“品”字型墻均流防渦裝置:結(jié)構(gòu)簡單,施工方便,投資少,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低,可推廣到類似的橫向進(jìn)水、分水工程中。

關(guān)鍵詞:T型;分流/匯流;連接井;“品”字型墻;均流防渦

中圖分類號:TV68文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672-1683(2009)05-0001-05

Water Diversion and Vortex Precaution Technique of “∴”- type Walls in a T-junction Chamber

YANG Kai-lin1,WU Huan-ying2,GUO Xin-lei1, GUO Yong-xin1

(1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China;

2.Tianjin Hydraulic Survey and Design Institute,Tianjin 300204,China)

Abstract: The Wangqingtuo junction chamber, a T type hydraulic structure with a lateral inflow or outflow at 90°angle, is a hinge of Tianjin main line of South-to-North Water Diversion Project with Wangqingtuo reservoir. Different depth measurements were made using a point gauge while velocity measurements were taken using an acoustic doppler velocimeter over a grid defined throughout the junction region in physical model test. The water diversion and vortex precaution device of “∴”- type diversion walls was developed. The main characters of this new device were that three diversion walls were parallel arranged with one in the middle and the other two in the extended line of the separation walls in the junction chamber. It was found that the velocity downstream was well distributed and the vertical-axis vortex in front of the outlet gate was prevented by adjusting the relative positions of the three rows of diversion wall. Such new device with simply structure, easy construction and low cost can be extended to other similar lateral inflow or outflow projects.

Key words: T-junction; inflow or outflow; junction chamber; “∴”-type diversion walls; water diversion and vortex precaution

1 研究背景

南水北調(diào)中線一期工程天津干線西起河北省保定市徐水縣西黑山村,東至天津市外環(huán)河西,全長155.352 km。

王慶坨連接井是聯(lián)接南水北調(diào)中線天津段干線工程與王慶坨水庫的重要樞紐。一方面可通過泵站從連接井抽取天津干線來水到王慶坨水庫備用,另一方面也可在干線來水不能滿足用戶需求時由王慶坨水庫向干線自流補(bǔ)水。抽水與補(bǔ)水最大流量均為25 m³/s。水庫事故情況緊急退水也通過王慶坨連接井來完成。

如圖1所示,王慶坨連接井是一個T型分流/匯流水工建筑物,由進(jìn)口閘、連接井水池、出口閘、明槽段和分水閘組成,其中分水閘垂直天津干線軸線布置,其后為通往王慶坨水庫的2孔4.0 m×4.0 m箱涵。

在工程設(shè)計中,需要掌握連接井在分流/匯流過程中的水力性能,以便采取必要的工程措施,防治連接井內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)漩渦,保證連接井下游各箱涵分流均勻。

分流/匯流是水利工程常見的水力現(xiàn)象。國內(nèi)外對于交匯區(qū)水流的研究工作開展的較多。Taylor[1]首先對交匯水流進(jìn)行了理論研究,得到了交匯角為45°和135°水流上、下游干流斷面水深與流量比的關(guān)系。Best等[2]人對明渠不同交匯角和流量比下的流動進(jìn)行了大量試驗(yàn),并從機(jī)理方面探討了分離區(qū)的成因。Hager等[3]人的研究結(jié)果表明交匯口上下游水深比和收縮系數(shù)是干支流交角和流量比的函數(shù)。Hsu等[4]人

通過大量試驗(yàn)來確定分離區(qū)的位置及水流流經(jīng)分離區(qū)時的收縮量,進(jìn)而研究分離區(qū)末端的能量和動量變化。從量測技術(shù)手段上來說,Weber等[5]人在2000年首次采用多普勒流速儀(ADV)對90°等寬明渠交匯口水流進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究,給出了詳細(xì)的交匯口三維水流的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和匯流結(jié)構(gòu),包括各測點(diǎn)的平均速度和紊流強(qiáng)度等。與此同時,Huang和Weber[6]他們又研究了交匯口水流的三維數(shù)學(xué)模型,將數(shù)模結(jié)果與試驗(yàn)對比,結(jié)果吻合較好。

對于交匯口分流或者說橫向分水,早期Ramamurthy等[7]人依據(jù)動量及能量守恒通過模型試驗(yàn)建立了分流比的理論公式。Chen等[8]人、Shettar等[9]人用二維紊流模型對橫向分水進(jìn)行了模擬,與以往文獻(xiàn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比。Issa等[10]人1992年首次用三維模型封閉NS方程模擬交匯口分流。Neary等[11]人應(yīng)用二維電磁流速儀測量了橫向分流的水流結(jié)構(gòu)。隨后他們應(yīng)用模型對橫向分流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。

國內(nèi)茅澤育等[12-13]人先后應(yīng)用五孔畢托球、DPIV對明渠交匯水流三維流動特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,提出了交匯口上下游水深比的方程式 [14]。王協(xié)康等[15]人通過水槽試驗(yàn),應(yīng)用ADV觀測了交匯角為30°時交匯口河道的三維水流結(jié)構(gòu)。曹繼文等[16-17]人在試驗(yàn)水槽中對橫向直角取水口的水力特效進(jìn)行了研究,重點(diǎn)測取了干線主槽表底層分流寬度、進(jìn)水口門流速場、紊動能和雷諾應(yīng)力分布,并進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。

與以往交匯口水流匯流、分流研究不同,本項(xiàng)目王慶砣連接井工程有以下特點(diǎn)。

①連接井有不同功能,既存在橫向進(jìn)水的交匯流動,另一時期又存在橫向取水的分水情況。

②連接井干線與側(cè)面支線不再是等寬等高的明渠。

③連接井干線、支線均有隔墻,且干線為三孔,支線為兩孔,由于導(dǎo)流隔墻的存在,分流區(qū)將發(fā)生改變,分流、匯流下游的流動流態(tài)顯然更為復(fù)雜。

④以往僅僅針對交匯口本身進(jìn)行研究,而本項(xiàng)目需優(yōu)化設(shè)計出一個合理的工程布置和結(jié)構(gòu)體型,無論交匯、分流均要保證下游三孔流速均分,水流90°轉(zhuǎn)彎后連接井及分水口內(nèi)部不能出現(xiàn)惡劣流態(tài),尤其不能有立軸漩渦產(chǎn)生。

本文的目的是,修建王慶坨連接井實(shí)體模型試驗(yàn)臺,觀察連接井內(nèi)水流的運(yùn)動,并利用三維超聲波流速儀量測不同水力條件下連接井內(nèi)的流速分布,找出現(xiàn)有設(shè)計存在的水力學(xué)問題,并提出合理的工程措施。

2 原設(shè)計方案水力特性

王慶坨連接井工程的物理模型設(shè)計依據(jù)水力相似原理,需要考慮兩個主要因素:一是水流要處于阻力平方區(qū),即雷諾數(shù)大于106;另一個是模型糙率要滿足重力相似準(zhǔn)則。本物理模型根據(jù)王慶坨連接井工程平面布置圖,采用1∶14的比尺,按照佛汝德相似準(zhǔn)則設(shè)計。模型模擬范圍包括:進(jìn)口漸變段、進(jìn)口閘、連接井、出口閘、下游明槽、出口漸變段、分水閘,表1列出了原形和模型的尺寸和流量。

在連接井內(nèi)各閘門均維持正常運(yùn)行時的開啟狀態(tài)條件下,當(dāng)連接井上游不給水、王慶坨水庫向天津干線補(bǔ)水30 m³/s時,模型試驗(yàn)測得的連接井流速分布如圖2所示。進(jìn)入連接井的水體含有較大的垂直于干線方向的動量,遇到連接井內(nèi)水體和邊墻轉(zhuǎn)向的阻礙,便對邊墻起沖擊作用,邊墻也對水流施加反力,迫使水流沿邊墻轉(zhuǎn)向,產(chǎn)生動量變化,造成水面的局部壅高,類似于彎道水流的特性,水流主要流入下游左邊孔和中孔出口閘,右邊孔流量分配較小。連接井左邊孔箱涵斷面平均流速為0.70 m/s左右,分流量為13.56 m³/s;中孔箱涵流速為0.50 m/s,分流量為9.68 m³/s;右邊孔箱涵流速僅為0.31 m/s,分流量為6.00 m³/s。連接井左邊孔分流量是右邊孔分流量的2.2倍左右,即存在三孔箱涵過流能力不均的問題,必須采用合理的工程措施改進(jìn)。

3 連接井內(nèi)布置“品”字型墻均流防渦裝置的水力特性

為了使水庫來流在連接井交匯口轉(zhuǎn)彎后均勻的進(jìn)入下游出口閘三孔,可考慮在連接井內(nèi)布置導(dǎo)流設(shè)施。導(dǎo)流板、導(dǎo)流墻能分流導(dǎo)水、均勻分配水量,對局部流態(tài)也能起到改善作用,常常用在水利工程中[18-20]。徐輝等[21]人將導(dǎo)流墻用于泵站前池的流態(tài)改善措施中,鄧宇等[22-23]人曾對活動式導(dǎo)流板的導(dǎo)流效果進(jìn)行過研究。李百齊等[24]人將壓水板、導(dǎo)流墻組合導(dǎo)流裝置應(yīng)用到泵站前池,從而顯著改善了前池流態(tài)和多泵運(yùn)行配水的均勻性,克服了沉砂淤積。楊開林等[25]人研究了一種墩柵渦流室復(fù)合消能方法,其主要消能導(dǎo)流裝置也是兩排導(dǎo)流消力墩組成的墩柵。

借鑒上述研究成果,對于本工程,可以沿支流匯入口方向布置一些導(dǎo)流墻,通過調(diào)整導(dǎo)流墻設(shè)置位置及傾斜角度即可改變?nèi)肓鞣较?迫使橫向水體迅速轉(zhuǎn)彎,破壞分流曲,達(dá)到均勻分水的目的。不過布置導(dǎo)流設(shè)施后,不能影響干線來流的均勻性,同時,干線向水庫分水工況下的分流量也要基本不受影響。傳統(tǒng)的導(dǎo)流方式可能能較好的滿足某單一工況,但是在補(bǔ)水、分水等多種工況下,個別工況往往會出現(xiàn)惡劣流態(tài),比如說影響分水流量。同時,布置的導(dǎo)流墻結(jié)構(gòu)體型如果太復(fù)雜,一方面會增加整個連接井的局部水頭損失,導(dǎo)致過流能力下降,另一方面,也會增加整個連接井工程的造價。因此,研究一種新型的橫向取水、排水導(dǎo)均流防渦裝置是非常必要的。

本項(xiàng)目通過多組修改方案及模型試驗(yàn)對比分析,提出了在連接井內(nèi)布置“品”字型墻均流防渦裝置的優(yōu)化方案,其模型布置如圖3和圖4所示?！捌贰弊中途鞣罍u裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:在連接井出口閘兩導(dǎo)墻延長線及連接井中軸線上平行布置三排導(dǎo)流墻,形成“品”字型導(dǎo)流結(jié)構(gòu),通過調(diào)節(jié)三個導(dǎo)流墻的相對位置,“品”字型左側(cè)導(dǎo)流墻迫使橫向來流第一部分水體迅速拐彎,“品”字頭部導(dǎo)流墻對橫向來流第二部分水體進(jìn)行阻擋,并迫使其轉(zhuǎn)彎進(jìn)入下游,另一部分水體則繞過導(dǎo)流墻圓弧頭部,在右側(cè)導(dǎo)流墻的導(dǎo)流、分流作用下轉(zhuǎn)彎進(jìn)入下游,總體達(dá)到三分水體導(dǎo)均流作用;同時,原本連接井內(nèi)的大漩渦被分散,如右邊孔附近的漩渦,避免較大立軸漩渦帶氣進(jìn)入下游出口閘室,起到防渦作用;由于品字型導(dǎo)流墻的特殊布置形式,“品”字型頭部上游側(cè)仍留有較大空間,且其結(jié)構(gòu)為對稱布置,不會對分水閘橫向取水造成過大干擾。

為減少對水流流態(tài)的影響及水頭損失,導(dǎo)流墻頭部采用圓弧形設(shè)計,其高度參照分水箱涵為4 m。為減少對干線運(yùn)行水流的影響,導(dǎo)流墻呈品字形對稱布置:上游軸線布置一4 m長導(dǎo)流墻,以阻擋水庫補(bǔ)水時分水口水流動量,使水流盡可能均勻的流入下游箱涵;下游出口閘墩延長線布置另兩個8 m長導(dǎo)流墻,其目的一是維持連接井內(nèi)結(jié)構(gòu)的對稱性,同時兼有導(dǎo)流均流作用。

下面研究三種典型常用工況連接井布置品字型墻均流防渦裝置的水力性能。

3.1 補(bǔ)水工況

典型工況1:該工況連接井上游干線給水30 m³/s,水庫補(bǔ)水25 m³/s,穩(wěn)定時刻連接井下游控制斷面水位3.73 m。這一工況也是連接井流態(tài)最不利工況。

流態(tài):水庫補(bǔ)水初始時刻,連接井內(nèi)水深較淺,進(jìn)入連接井的水體含有較大的分水槽水流方向的動量。分水槽下游側(cè)出流遇到連接井內(nèi)第一排導(dǎo)流墻阻擋作用后,壅入下游右邊孔,另外一部分從導(dǎo)流墻頭部弧頂滑過進(jìn)入中孔出口閘。分水槽上游側(cè)出流一部分直接進(jìn)入中孔,另一部分直接沿分水槽方向向前流動,遇到中軸線導(dǎo)流墻的阻擋后,又分為兩部分,一部分進(jìn)入中孔,上游另一部分沿弧頂擴(kuò)散繼續(xù)向前,遇到連接井邊墻阻擋后,折返涌入左邊孔。充水完畢,連接井下游控制斷面水位達(dá)到控制水位,水庫分水槽出口流態(tài)均勻,出口沒有漩渦。連接井水位較高,連接井表面有微弱的、間斷性的小漩渦,水面波動不明顯,分水閘正對側(cè)的導(dǎo)流墻附近有比較微弱的陣發(fā)性的水體紊動翻滾,出口閘前部近區(qū)偶有凹陷漩渦,出口閘閘頭前部有薄層狀漣漪。整個連接井下游明流區(qū)域沒有發(fā)生貫通性漩渦等不利水力現(xiàn)象,即未出現(xiàn)影響工程安全的不利流態(tài)及問題。

連接井內(nèi)水流流向如圖5所示。該工況下,下游三孔斷面平均流速的理論平均值為0.95 m/s。連接井左邊孔箱涵斷面平均流速為0.96 m/s左右,分流量為18.55 m³/s;中孔流速為0.97 m/s,分流量為18.82 m³/s;右邊孔流速為0.84 m/s,分流量為16.34 m³/s。下游三孔流速分布基本均勻。

典型工況2:連接井上游干線不給水,王慶坨水庫補(bǔ)水30 m³/s。

流態(tài):水庫補(bǔ)水初始時刻,連接井內(nèi)水深較淺,進(jìn)入連接井的水體含有較大的分水槽水流方向的動量。分水槽下游側(cè)大部分水體遇到連接井內(nèi)第一排導(dǎo)流墻阻擋作用后,壅入下游右邊孔,另外一部分從導(dǎo)流墻頭部弧頂滑過進(jìn)入中孔出口閘。分水槽上游側(cè)水體一部分直接進(jìn)入中孔,另一部分直接沿分水槽方向向前流動,遇到中軸線導(dǎo)流墻的阻擋后,又分為兩部分,一部分進(jìn)入中孔,另一部分沿弧頂擴(kuò)散繼續(xù)向前,遇到連接井邊墻阻擋后,折返涌入左邊孔。充水完畢,下游控制斷面水位達(dá)到控制水位1.94 m,連接井表面有間斷性的不吸氣漩渦,水面波動不太明顯,分水閘正對側(cè)的導(dǎo)流墻附近有比較微弱的陣發(fā)性的水體紊動翻滾,出口閘前部近區(qū)偶有凹陷漩渦,出口閘閘頭前部的薄層狀漣漪。整個連接井下游明流區(qū)域沒有發(fā)生貫通性漩渦等不利水力現(xiàn)象,分水井入口流動平穩(wěn),未有負(fù)壓或流體剝離現(xiàn)象。

使用多普勒流速儀ADV測量了連接井內(nèi)底部、中間、表層的三維流速,其中連接井表層流速等值線分布及流場如圖6所示。連接井左邊孔箱涵斷面平均流速為0.53 m/s左右,分流量為10.22 m³/s;中孔箱涵流速為0.56 m/s,分流量為10.77 m³/s;右邊孔箱涵流速為0.44 m/s,分流量為8.52 m³/s。連接井底層水流能夠較均勻的進(jìn)入下游三孔明渠。

3.2 取水工況

典型工況:王慶坨水庫從干線取水,連接井內(nèi)各閘門均維持正常運(yùn)行時的開啟狀態(tài),該工況上游來水45 m³/s,水庫取水25 m³/s。

流態(tài):水庫取水時,水庫分水槽進(jìn)口流態(tài)均勻,分水槽兩孔導(dǎo)墻附近沒有流體脫離現(xiàn)象發(fā)生,分水槽進(jìn)口前端區(qū)域偶有表面漩渦。連接井表面有間斷性的不吸氣小漩渦,水面基本無波動。出口閘下游三孔明流流態(tài)平穩(wěn),明流表面偶有微弱水體翻滾,三孔靠近有壓箱涵區(qū)域沒有發(fā)生貫通性漩渦等不利水力現(xiàn)象,整個連接井未出現(xiàn)影響工程安全的不利流態(tài)及問題。

連接井下游箱涵軸線剖面流速分布如圖7所示。下游三孔斷面平均流速的理論平均值為0.34 m/s。連接井下游左邊孔箱涵斷面平均流速為0.36 m/s左右,分流量為6.89 m³/s;中孔箱涵流速為0.41 m/s,分流量為7.98 m³/s;右邊孔箱涵流速僅為0.28 m/s,分流量為5.50 m³/s。整體來看,由于受分水口附近流場的影響,右邊孔分流量較小,但推薦方案對下游分水均勻度影響不大。對比分水井兩孔流速也大致相同,分流比較均勻,不過在測量中發(fā)現(xiàn)分水槽的旋漿流速儀呈現(xiàn)忽大忽小的現(xiàn)象,這是由于分水槽口門附近流態(tài)具有一定的三維紊動特性,該流速測量值僅供參考。脈動壓力結(jié)果顯示分水井入口流動平穩(wěn),未有負(fù)壓或流體剝離現(xiàn)象。

3.3 檢修工況

檢修工況下,王慶坨水庫不參與天津干線運(yùn)行,天津干線一孔檢修,兩孔運(yùn)行。該工況上游來水40 m³/s。

典型工況運(yùn)行方式如圖8所示。流態(tài):連接井表面波動明顯,有間斷性的不吸氣小漩渦,水面基本無波動。由于閘門不對稱開啟,連接井水體向左邊孔、中孔一側(cè)流動,即分水槽出口一側(cè)水位略高,中孔出口閘進(jìn)口前部表面沿干線水流方向間斷性出現(xiàn)順時針漩渦,無貫通,左邊孔出口閘進(jìn)口前部表面沿干線水流方向間斷性出現(xiàn)順時針漩渦,漩渦直徑約0.28 m,無貫穿。中孔、左邊孔下游箱涵進(jìn)口前部水面紊動翻滾明顯,但無漩渦。整個連接井未出現(xiàn)影響工程安全的不利流態(tài)及問題。

下游箱涵軸線剖面流速分布如圖9所示。下游兩孔斷面平均流速的理論平均值為1.03 m/s。從圖9中可以看出,同一高程位置測點(diǎn)處的流速中孔稍比左邊孔大,可見這種運(yùn)行方式下,干線中孔流量偏大。連接井左邊孔箱涵斷面平均流速為0.91 m/s左右,分流量為17.69 m³/s;中孔箱涵流速為1.18 m/s,分流量為22.8 m³/s。連接井內(nèi)無負(fù)壓。

4 結(jié)語

王慶坨連接井是一個T型分流/匯流水工建筑物,是聯(lián)接南水北調(diào)中線天津段干線工程與王慶坨水庫的重要樞紐。本項(xiàng)目修建了王慶坨連接井實(shí)體模型試驗(yàn)臺,并利用三維超聲波流速儀量測了不同水力條件下連接井內(nèi)的流速分布。

實(shí)體模型試驗(yàn)證實(shí),在連接井內(nèi)各閘門均維持正常運(yùn)行時的開啟狀態(tài)條件下,當(dāng)連接井上游不給水、王慶坨水庫向天津干線補(bǔ)水時,進(jìn)入連接井的水體含有較大的垂直于干線方向的動量,遇到連接井內(nèi)水體和邊墻轉(zhuǎn)向的阻礙,便對邊墻起沖擊作用,邊墻也對水流施加反力,迫使水流沿邊墻轉(zhuǎn)向,產(chǎn)生動量變化,造成水面的局部壅高,致使下游干線3孔箱涵輸水流量差別很大,相差達(dá)2.2倍。

本項(xiàng)目通過多組修改方案及模型試驗(yàn)對比分析,提出了在連接井內(nèi)布置“品”字型墻均流防渦裝置的優(yōu)化方案。“品”字型均流防渦裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:在連接井出口閘兩導(dǎo)墻延長線及連接井中軸線上平行布置三排導(dǎo)流墻,形成“品”字型導(dǎo)流結(jié)構(gòu),通過調(diào)節(jié)三個導(dǎo)流墻的相對位置,“品”字型左側(cè)導(dǎo)流墻迫使橫向來流第一部分水體迅速拐彎,“品”字型頭部導(dǎo)流墻對橫向來流第二部分水體進(jìn)行阻擋,并迫使其轉(zhuǎn)彎進(jìn)入下游,另一部分水體則繞過導(dǎo)流墻圓弧頭部,在右側(cè)導(dǎo)流墻的導(dǎo)流、分流作用下轉(zhuǎn)彎進(jìn)入下游,總體達(dá)到三分水體導(dǎo)均流作用;同時,原本連接井內(nèi)的大漩渦被分散,如右邊孔附近的漩渦,避免較大立軸漩渦帶氣進(jìn)入下游出口閘室,起到防渦作用;由于“品”字型導(dǎo)流墻的特殊布置形式,“品”字型頭部上游側(cè)仍留有較大空間,且其結(jié)構(gòu)為對稱布置,不會對分水閘橫向取水造成過大干擾。

“品”字型墻均流防渦裝置結(jié)構(gòu)簡單、施工方便,投資少,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低,可推廣到類似的橫向進(jìn)水、分水工程中。

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