摘"要：南水北調(diào)工程意義重大，為保證南水北調(diào)工程的不斷流維護(hù)，現(xiàn)階段使用開放圍堰隔水施工。針對渠道圍堰結(jié)構(gòu)，采用三維仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法分析了渠道各處的流速，并以此評估圍堰對渠道過流速度的影響。研究結(jié)果表明，由于圍堰的阻擋，渠道內(nèi)最大流速由原本的1.5m/s增加到2.64m/s，并且在圍堰拐角等位置形成了渦流，這些渦流致使水流對圍堰結(jié)構(gòu)的沖擊力顯著增強(qiáng)，影響了圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此項(xiàng)研究成果為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化與加固圍堰結(jié)構(gòu)提供了極為關(guān)鍵的理論依據(jù)與技術(shù)保障，有力推動南水北調(diào)工程維護(hù)工作的科學(xué)開展。

關(guān)鍵詞：渠道；隔水圍堰；鋼圍堰；Fluent軟件；CFD仿真模型

中圖分類號：TV314""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

圍堰結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于水利施工中，用以將待施工水域從主體水域中隔離以形成局部靜水區(qū)，以此使人員或設(shè)備能夠在圍堰內(nèi)部的靜水區(qū)施工［12］，從而保證施工的安全和穩(wěn)定。目前，圍堰結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于大型水庫、跨河海大橋等的修筑工程中，對圍堰結(jié)構(gòu)的研究也主要集中在施工工藝、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面［35］。南水北調(diào)干渠截面為倒梯形結(jié)構(gòu)，使得施工過程中不僅要考慮圍堰自身的強(qiáng)度，還要保證圍堰的架設(shè)具有足夠的穩(wěn)定性。一方面因?yàn)榇祟愋逼麓罱ǖ膰呓Y(jié)構(gòu)只適用于南水北調(diào)工程，另一方面此類圍堰為臨時性工程，不同于水庫、江海大橋等場景下的半永久性工程，因此目前有關(guān)此類臨時性圍堰斜面搭建施工的研究相對較少。為此，本文結(jié)合黃河建工集團(tuán)在南水北調(diào)中線某處的組合式鋼圍堰施工現(xiàn)場，針對圍堰對干渠流速特性的影響進(jìn)行了研究。

1"現(xiàn)場概況及圍堰結(jié)構(gòu)

南水北調(diào)干渠整體為梯形結(jié)構(gòu)，渠底寬度17.5m，邊坡坡度1∶2，水面寬度45.5～49.1m，干渠渠道左右兩側(cè)和底部均為混凝土預(yù)制襯砌板。由于沿線地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，襯砌板時常會發(fā)生滑移、破損等問題，因此需要及時更換損壞襯砌板以防止水體被污染或流失［6］。

原先的施工方法為潛水員水下配合起重機(jī)吊裝更換。由于干渠流速較大且渠坡陡峭，施工危險(xiǎn)較大；并且該方法必須水下灌注混凝土，污染較大且混凝土不易凝固，容易發(fā)生二次損壞。

現(xiàn)階段使用的圍堰施工，將圍堰各組件吊裝至指定區(qū)域的渠道邊坡上，由人工依次連接固定，抽干圍堰內(nèi)部水體，即可形成開放干地，便于后續(xù)的施工［78］，如圖1所示。其中，靜水圍堰分為迎水圍堰、側(cè)邊圍堰和后部圍堰三部分，且三部分均由多個單元圍堰組成。

2"CFD仿真分析

該施工現(xiàn)場的圍堰順?biāo)鞣较蜷L度為50m，本施工選取圍堰上下游各1.5倍圍堰長度的距離（總長200m）進(jìn)行分析。

2.1"渠道施工段三維實(shí)體模型的建立及網(wǎng)格劃分

組合圍堰的架設(shè)會導(dǎo)致渠道過流截面局部收窄，由于渠道流量處處相等，因此圍堰架設(shè)處的流速將會明顯改變。因此使用三維流體仿真，可以同時分析渠道水流流速在水平和垂直面上的分布情況。

實(shí)際的施工區(qū)域渠深為8m左右，頂寬為56m，長度為200m。本文采用了1∶30比例進(jìn)行了建模。將三維模型導(dǎo)入Fluent軟件平臺后，采用四面體網(wǎng)格對渠段三維模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格模型如圖2所示。

2.2"邊界條件及模型

通過現(xiàn)場多點(diǎn)測量，得到渠道中心流速約為1.3～16m/s，因此本文將初始流速設(shè)置為1.5m/s。將流體上游入口設(shè)定為inlet流量入口；將流體下游出口設(shè)定為outlet自由出口；將上表面命名為open，為水氣自由界面；將渠底和渠坡設(shè)定糙率0.15，將流體域設(shè)置為fluid水。其他物理量的比尺如表2所示。

仿真使用Fluent軟件，選取多相流VOF模型，使用該模型的自由界面功能，模擬水流和空氣的交界面。在流體區(qū)域加入流體—液態(tài)水，并在多相流中將空氣設(shè)置為首要相，水為次要相。紊流方程選擇標(biāo)準(zhǔn)ke模型，該模型考慮了低雷諾數(shù)、可壓縮性和剪切流擴(kuò)散的影響，適用于混合層、射流和自由剪切流的計(jì)算［7］。

3"圍堰區(qū)流體速度分布規(guī)律

基于上述的仿真模型，計(jì)算得到的速度場云圖如圖3所示（入口速度為1.5m/s）。

由圖3可以看出，流體在圍堰上游7～15m處，速度較為均勻；在圍堰上下游附近出現(xiàn)明顯的速度差異分布；而在圍堰下游約8m處再次形成均勻?qū)恿髦钡侥Ｐ统隹凇?/p>

為進(jìn)一步展示渠道內(nèi)的流速分布情況，對三維模型做順?biāo)鞣较蚝痛怪彼鞣较虻那忻妗?/p>

3.1"順流向的速度場分布

順?biāo)鞣较蜻M(jìn)行水平切片，獲得表面以及0.6倍水深處的平面流場速度狀況。流場水平方向切片圖如圖4所示。

上表面處流層流速分布云圖""""""0.6倍水深處流層流場分布云圖

由圖4可以看出：上表面和0.6倍水深兩個平面上，流速分布規(guī)律基本一致。最大速度位置均出現(xiàn)在圍堰迎水面渠道側(cè)拐角處及其下游附近的區(qū)域，最大速度為2.65m/s；第二高速區(qū)域出現(xiàn)在圍堰背水面渠道側(cè)的拐角處及其上游附近，局部最大速度約為2.6m/s。

圍堰迎水面和背水面的邊坡側(cè)均出現(xiàn)明顯的緩流區(qū)，在圍堰和邊坡面附近出現(xiàn)靜水區(qū)域。上表面的靜水區(qū)面積則要明顯大于0.6倍水下面，且在上表面出現(xiàn)渦流。圍堰上游、下游以及圍堰中部區(qū)域的水流相對穩(wěn)定，但是圍堰中部水流速度約為1.65m/s，高于上下游區(qū)域的1.45m/s。

順?biāo)鞣较蜻M(jìn)行豎直切片，對流體進(jìn)行縱向切片，豎直方向中間軸線斷面的速度切片如圖5所示。

由圖5可以看出，在邊坡和渠底處，由于糙率較大，流速較低，不到0.5m/s，而上層水流則相對較高。

3.2"過流截面的速度場分布

分別選擇圍堰中間、圍堰兩側(cè)以及圍堰前和后分別進(jìn)行速度切片，以此分析過流斷面內(nèi)的速度分布。在模擬渠段選取5個典型斷面進(jìn)行流速切片（以模型中間位置為原點(diǎn)，順?biāo)鞣较驗(yàn)閆正方向，分別取在Z=-100m，Z=0m，Z=100m處速度切片），如圖6所示。

由圖6可以看出：斷面顯示出明顯回流區(qū)的流線變化提點(diǎn)和流速分布特征。速度分布顯示在進(jìn)入圍堰區(qū)域時，流體流速明顯增大，整體規(guī)律與3.1所述相符。

3.3"速度場分析

根據(jù)速度場分析可知，在安裝靜水圍堰以后，渠道內(nèi)較為均勻的速度場會發(fā)生顯著的變化。在水流接近和流經(jīng)圍堰的過程中，迎水圍堰的前方水流速度不斷放緩，動能轉(zhuǎn)化為勢能，圍堰前方的水面高度會有所提高。在水流接近和流經(jīng)圍堰的過程中，圍堰對側(cè)和渠道中部的流速會不斷增加，速度的增加值最大超過40%，這會對圍堰產(chǎn)生極大的沖擊力，沖擊力方向指向渠道中心。

4"結(jié)論

本文主要針對南水北調(diào)開放圍堰施工的渠段，進(jìn)行三維仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果觀察渠道水流的流速變化規(guī)律。對圍堰結(jié)構(gòu)提出以下優(yōu)化方向：（1）需要在圍堰迎水面增加高度以防止過度雍水導(dǎo)致水流倒灌；（2）圍堰側(cè)面需加強(qiáng)縱向連接強(qiáng)度，防止高速水流通過附壁效應(yīng)產(chǎn)生縫隙導(dǎo)致滲水；（3）圍堰整體需要增加順?biāo)鞣较虻男敝?，防止在水流高速沖擊下整體向下游滑移；（4）圍堰應(yīng)將迎水面和背水面由垂直渠道改為銳角迎水、背水，進(jìn)一步減少水流沖擊力、縮減渦流區(qū)域，防止人員跌落的危險(xiǎn)性。

本文為今后圍堰結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和施工工藝的改進(jìn)起到了指導(dǎo)作用，并為相同類型工程的研發(fā)和施工提供借鑒作用。

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作者簡介：劉豐澤（1978—"），男，漢族，山西運(yùn)城人，本科，高級工程師，研究方向：水利工程；張永昌（1972—"），男，漢族，河南鄭州人，本科，高級工程師，研究方向：水利工程。