Ｔ型分流／汇流连接井“品”字型墙均流防涡技术

杨开林　吴换营　郭新蕾　郭永鑫

摘要:王庆坨连接井是一个T型分流/汇流水工建筑物,是联接南水北调中线天津段干线工程与王庆坨水库的重要枢纽。现通过实体模型试验,利用三维超声波流速仪量测不同水力条件下连接井内的流速分布,提出了在连接井内设置品字型墙均流防涡装置的新技术。“品”字型均流防涡装置结构特点为:在连接井出口闸两导墙延长线及连接井中轴线上平行布置三排导流墙,形成“品”字型导流结构,通过调节三个导流墙的相对位置,达到使下游多孔箱涵分流均匀,且防止连接井内形成较大立轴漩涡带气进入下游箱涵。“品”字型墙均流防涡装置:结构简单,施工方便,投资少,运行维护费用低,可推广到类似的横向进水、分水工程中。

关键词:T型;分流/汇流;连接井;“品”字型墙;均流防涡

中图分类号:TV68文献标识码:A文章编号: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

南水北调中线一期工程天津干线西起河北省保定市徐水县西黑山村,东至天津市外环河西,全长155.352 km。

王庆坨连接井是联接南水北调中线天津段干线工程与王庆坨水库的重要枢纽。一方面可通过泵站从连接井抽取天津干线来水到王庆坨水库备用,另一方面也可在干线来水不能满足用户需求时由王庆坨水库向干线自流补水。抽水与补水最大流量均为25 m³/s。水库事故情况紧急退水也通过王庆坨连接井来完成。

如图1所示,王庆坨连接井是一个T型分流/汇流水工建筑物,由进口闸、连接井水池、出口闸、明槽段和分水闸组成,其中分水闸垂直天津干线轴线布置,其后为通往王庆坨水库的2孔4.0 m×4.0 m箱涵。

在工程设计中,需要掌握连接井在分流/汇流过程中的水力性能,以便采取必要的工程措施,防治连接井内出现强漩涡,保证连接井下游各箱涵分流均匀。

分流/汇流是水利工程常见的水力现象。国内外对于交汇区水流的研究工作开展的较多。Taylor[1]首先对交汇水流进行了理论研究,得到了交汇角为45°和135°水流上、下游干流断面水深与流量比的关系。Best等[2]人对明渠不同交汇角和流量比下的流动进行了大量试验,并从机理方面探讨了分离区的成因。Hager等[3]人的研究结果表明交汇口上下游水深比和收缩系数是干支流交角和流量比的函数。Hsu等[4]人

通过大量试验来确定分离区的位置及水流流经分离区时的收缩量,进而研究分离区末端的能量和动量变化。从量测技术手段上来说,Weber等[5]人在2000年首次采用多普勒流速仪(ADV)对90°等宽明渠交汇口水流进行了模型试验研究,给出了详细的交汇口三维水流的试验数据和汇流结构,包括各测点的平均速度和紊流强度等。与此同时,Huang和Weber[6]他们又研究了交汇口水流的三维数学模型,将数模结果与试验对比,结果吻合较好。

对于交汇口分流或者说横向分水,早期Ramamurthy等[7]人依据动量及能量守恒通过模型试验建立了分流比的理论公式。Chen等[8]人、Shettar等[9]人用二维紊流模型对横向分水进行了模拟,与以往文献实测结果进行对比。Issa等[10]人1992年首次用三维模型封闭NS方程模拟交汇口分流。Neary等[11]人应用二维电磁流速仪测量了横向分流的水流结构。随后他们应用模型对横向分流进行了三维数值模拟。

国内茅泽育等[12-13]人先后应用五孔毕托球、DPIV对明渠交汇水流三维流动特性进行了试验研究,提出了交汇口上下游水深比的方程式 [14]。王协康等[15]人通过水槽试验,应用ADV观测了交汇角为30°时交汇口河道的三维水流结构。曹继文等[16-17]人在试验水槽中对横向直角取水口的水力特效进行了研究,重点测取了干线主槽表底层分流宽度、进水口门流速场、紊动能和雷诺应力分布,并进行了三维数值模拟。

与以往交汇口水流汇流、分流研究不同,本项目王庆砣连接井工程有以下特点。

①连接井有不同功能,既存在横向进水的交汇流动,另一时期又存在横向取水的分水情况。

②连接井干线与侧面支线不再是等宽等高的明渠。

③连接井干线、支线均有隔墙,且干线为三孔,支线为两孔,由于导流隔墙的存在,分流区将发生改变,分流、汇流下游的流动流态显然更为复杂。

④以往仅仅针对交汇口本身进行研究,而本项目需优化设计出一个合理的工程布置和结构体型,无论交汇、分流均要保证下游三孔流速均分,水流90°转弯后连接井及分水口内部不能出现恶劣流态,尤其不能有立轴漩涡产生。

本文的目的是,修建王庆坨连接井实体模型试验台,观察连接井内水流的运动,并利用三维超声波流速仪量测不同水力条件下连接井内的流速分布,找出现有设计存在的水力学问题,并提出合理的工程措施。

2 原设计方案水力特性

王庆坨连接井工程的物理模型设计依据水力相似原理,需要考虑两个主要因素:一是水流要处于阻力平方区,即雷诺数大于106;另一个是模型糙率要满足重力相似准则。本物理模型根据王庆坨连接井工程平面布置图,采用1∶14的比尺,按照佛汝德相似准则设计。模型模拟范围包括:进口渐变段、进口闸、连接井、出口闸、下游明槽、出口渐变段、分水闸,表1列出了原形和模型的尺寸和流量。

在连接井内各闸门均维持正常运行时的开启状态条件下,当连接井上游不给水、王庆坨水库向天津干线补水30 m³/s时,模型试验测得的连接井流速分布如图2所示。进入连接井的水体含有较大的垂直于干线方向的动量,遇到连接井内水体和边墙转向的阻碍,便对边墙起冲击作用,边墙也对水流施加反力,迫使水流沿边墙转向,产生动量变化,造成水面的局部壅高,类似于弯道水流的特性,水流主要流入下游左边孔和中孔出口闸,右边孔流量分配较小。连接井左边孔箱涵断面平均流速为0.70 m/s左右,分流量为13.56 m³/s;中孔箱涵流速为0.50 m/s,分流量为9.68 m³/s;右边孔箱涵流速仅为0.31 m/s,分流量为6.00 m³/s。连接井左边孔分流量是右边孔分流量的2.2倍左右,即存在三孔箱涵过流能力不均的问题,必须采用合理的工程措施改进。

3 连接井内布置“品”字型墙均流防涡装置的水力特性

为了使水库来流在连接井交汇口转弯后均匀的进入下游出口闸三孔,可考虑在连接井内布置导流设施。导流板、导流墙能分流导水、均匀分配水量,对局部流态也能起到改善作用,常常用在水利工程中[18-20]。徐辉等[21]人将导流墙用于泵站前池的流态改善措施中,邓宇等[22-23]人曾对活动式导流板的导流效果进行过研究。李百齐等[24]人将压水板、导流墙组合导流装置应用到泵站前池,从而显著改善了前池流态和多泵运行配水的均匀性,克服了沉砂淤积。杨开林等[25]人研究了一种墩栅涡流室复合消能方法,其主要消能导流装置也是两排导流消力墩组成的墩栅。

借鉴上述研究成果,对于本工程,可以沿支流汇入口方向布置一些导流墙,通过调整导流墙设置位置及倾斜角度即可改变入流方向,迫使横向水体迅速转弯,破坏分流曲,达到均匀分水的目的。不过布置导流设施后,不能影响干线来流的均匀性,同时,干线向水库分水工况下的分流量也要基本不受影响。传统的导流方式可能能较好的满足某单一工况,但是在补水、分水等多种工况下,个别工况往往会出现恶劣流态,比如说影响分水流量。同时,布置的导流墙结构体型如果太复杂,一方面会增加整个连接井的局部水头损失,导致过流能力下降,另一方面,也会增加整个连接井工程的造价。因此,研究一种新型的横向取水、排水导均流防涡装置是非常必要的。

本项目通过多组修改方案及模型试验对比分析,提出了在连接井内布置“品”字型墙均流防涡装置的优化方案,其模型布置如图3和图4所示。“品”字型均流防涡装置结构特点为:在连接井出口闸两导墙延长线及连接井中轴线上平行布置三排导流墙,形成“品”字型导流结构,通过调节三个导流墙的相对位置,“品”字型左侧导流墙迫使横向来流第一部分水体迅速拐弯,“品”字头部导流墙对横向来流第二部分水体进行阻挡,并迫使其转弯进入下游,另一部分水体则绕过导流墙圆弧头部,在右侧导流墙的导流、分流作用下转弯进入下游,总体达到三分水体导均流作用;同时,原本连接井内的大漩涡被分散,如右边孔附近的漩涡,避免较大立轴漩涡带气进入下游出口闸室,起到防涡作用;由于品字型导流墙的特殊布置形式,“品”字型头部上游侧仍留有较大空间,且其结构为对称布置,不会对分水闸横向取水造成过大干扰。

为减少对水流流态的影响及水头损失,导流墙头部采用圆弧形设计,其高度参照分水箱涵为4 m。为减少对干线运行水流的影响,导流墙呈品字形对称布置:上游轴线布置一4 m长导流墙,以阻挡水库补水时分水口水流动量,使水流尽可能均匀的流入下游箱涵;下游出口闸墩延长线布置另两个8 m长导流墙,其目的一是维持连接井内结构的对称性,同时兼有导流均流作用。

下面研究三种典型常用工况连接井布置品字型墙均流防涡装置的水力性能。

3.1 补水工况

典型工况1:该工况连接井上游干线给水30 m³/s,水库补水25 m³/s,稳定时刻连接井下游控制断面水位3.73 m。这一工况也是连接井流态最不利工况。

流态:水库补水初始时刻,连接井内水深较浅,进入连接井的水体含有较大的分水槽水流方向的动量。分水槽下游侧出流遇到连接井内第一排导流墙阻挡作用后,壅入下游右边孔,另外一部分从导流墙头部弧顶滑过进入中孔出口闸。分水槽上游侧出流一部分直接进入中孔,另一部分直接沿分水槽方向向前流动,遇到中轴线导流墙的阻挡后,又分为两部分,一部分进入中孔,上游另一部分沿弧顶扩散继续向前,遇到连接井边墙阻挡后,折返涌入左边孔。充水完毕,连接井下游控制断面水位达到控制水位,水库分水槽出口流态均匀,出口没有漩涡。连接井水位较高,连接井表面有微弱的、间断性的小漩涡,水面波动不明显,分水闸正对侧的导流墙附近有比较微弱的阵发性的水体紊动翻滚,出口闸前部近区偶有凹陷漩涡,出口闸闸头前部有薄层状涟漪。整个连接井下游明流区域没有发生贯通性漩涡等不利水力现象,即未出现影响工程安全的不利流态及问题。

连接井内水流流向如图5所示。该工况下,下游三孔断面平均流速的理论平均值为0.95 m/s。连接井左边孔箱涵断面平均流速为0.96 m/s左右,分流量为18.55 m³/s;中孔流速为0.97 m/s,分流量为18.82 m³/s;右边孔流速为0.84 m/s,分流量为16.34 m³/s。下游三孔流速分布基本均匀。

典型工况2:连接井上游干线不给水,王庆坨水库补水30 m³/s。

流态:水库补水初始时刻,连接井内水深较浅,进入连接井的水体含有较大的分水槽水流方向的动量。分水槽下游侧大部分水体遇到连接井内第一排导流墙阻挡作用后,壅入下游右边孔,另外一部分从导流墙头部弧顶滑过进入中孔出口闸。分水槽上游侧水体一部分直接进入中孔,另一部分直接沿分水槽方向向前流动,遇到中轴线导流墙的阻挡后,又分为两部分,一部分进入中孔,另一部分沿弧顶扩散继续向前,遇到连接井边墙阻挡后,折返涌入左边孔。充水完毕,下游控制断面水位达到控制水位1.94 m,连接井表面有间断性的不吸气漩涡,水面波动不太明显,分水闸正对侧的导流墙附近有比较微弱的阵发性的水体紊动翻滚,出口闸前部近区偶有凹陷漩涡,出口闸闸头前部的薄层状涟漪。整个连接井下游明流区域没有发生贯通性漩涡等不利水力现象,分水井入口流动平稳,未有负压或流体剥离现象。

使用多普勒流速仪ADV测量了连接井内底部、中间、表层的三维流速,其中连接井表层流速等值线分布及流场如图6所示。连接井左边孔箱涵断面平均流速为0.53 m/s左右,分流量为10.22 m³/s;中孔箱涵流速为0.56 m/s,分流量为10.77 m³/s;右边孔箱涵流速为0.44 m/s,分流量为8.52 m³/s。连接井底层水流能够较均匀的进入下游三孔明渠。

3.2 取水工况

典型工况:王庆坨水库从干线取水,连接井内各闸门均维持正常运行时的开启状态,该工况上游来水45 m³/s,水库取水25 m³/s。

流态:水库取水时,水库分水槽进口流态均匀,分水槽两孔导墙附近没有流体脱离现象发生,分水槽进口前端区域偶有表面漩涡。连接井表面有间断性的不吸气小漩涡,水面基本无波动。出口闸下游三孔明流流态平稳,明流表面偶有微弱水体翻滚,三孔靠近有压箱涵区域没有发生贯通性漩涡等不利水力现象,整个连接井未出现影响工程安全的不利流态及问题。

连接井下游箱涵轴线剖面流速分布如图7所示。下游三孔断面平均流速的理论平均值为0.34 m/s。连接井下游左边孔箱涵断面平均流速为0.36 m/s左右,分流量为6.89 m³/s;中孔箱涵流速为0.41 m/s,分流量为7.98 m³/s;右边孔箱涵流速仅为0.28 m/s,分流量为5.50 m³/s。整体来看,由于受分水口附近流场的影响,右边孔分流量较小,但推荐方案对下游分水均匀度影响不大。对比分水井两孔流速也大致相同,分流比较均匀,不过在测量中发现分水槽的旋浆流速仪呈现忽大忽小的现象,这是由于分水槽口门附近流态具有一定的三维紊动特性,该流速测量值仅供参考。脉动压力结果显示分水井入口流动平稳,未有负压或流体剥离现象。

3.3 检修工况

检修工况下,王庆坨水库不参与天津干线运行,天津干线一孔检修,两孔运行。该工况上游来水40 m³/s。

典型工况运行方式如图8所示。流态:连接井表面波动明显,有间断性的不吸气小漩涡,水面基本无波动。由于闸门不对称开启,连接井水体向左边孔、中孔一侧流动,即分水槽出口一侧水位略高,中孔出口闸进口前部表面沿干线水流方向间断性出现顺时针漩涡,无贯通,左边孔出口闸进口前部表面沿干线水流方向间断性出现顺时针漩涡,漩涡直径约0.28 m,无贯穿。中孔、左边孔下游箱涵进口前部水面紊动翻滚明显,但无漩涡。整个连接井未出现影响工程安全的不利流态及问题。

下游箱涵轴线剖面流速分布如图9所示。下游两孔断面平均流速的理论平均值为1.03 m/s。从图9中可以看出,同一高程位置测点处的流速中孔稍比左边孔大,可见这种运行方式下,干线中孔流量偏大。连接井左边孔箱涵断面平均流速为0.91 m/s左右,分流量为17.69 m³/s;中孔箱涵流速为1.18 m/s,分流量为22.8 m³/s。连接井内无负压。

4 结语

王庆坨连接井是一个T型分流/汇流水工建筑物,是联接南水北调中线天津段干线工程与王庆坨水库的重要枢纽。本项目修建了王庆坨连接井实体模型试验台,并利用三维超声波流速仪量测了不同水力条件下连接井内的流速分布。

实体模型试验证实,在连接井内各闸门均维持正常运行时的开启状态条件下,当连接井上游不给水、王庆坨水库向天津干线补水时,进入连接井的水体含有较大的垂直于干线方向的动量,遇到连接井内水体和边墙转向的阻碍,便对边墙起冲击作用,边墙也对水流施加反力,迫使水流沿边墙转向,产生动量变化,造成水面的局部壅高,致使下游干线3孔箱涵输水流量差别很大,相差达2.2倍。

本项目通过多组修改方案及模型试验对比分析,提出了在连接井内布置“品”字型墙均流防涡装置的优化方案。“品”字型均流防涡装置结构特点为:在连接井出口闸两导墙延长线及连接井中轴线上平行布置三排导流墙,形成“品”字型导流结构,通过调节三个导流墙的相对位置,“品”字型左侧导流墙迫使横向来流第一部分水体迅速拐弯,“品”字型头部导流墙对横向来流第二部分水体进行阻挡,并迫使其转弯进入下游,另一部分水体则绕过导流墙圆弧头部,在右侧导流墙的导流、分流作用下转弯进入下游,总体达到三分水体导均流作用;同时,原本连接井内的大漩涡被分散,如右边孔附近的漩涡,避免较大立轴漩涡带气进入下游出口闸室,起到防涡作用;由于“品”字型导流墙的特殊布置形式,“品”字型头部上游侧仍留有较大空间,且其结构为对称布置,不会对分水闸横向取水造成过大干扰。

“品”字型墙均流防涡装置结构简单、施工方便,投资少,运行维护费用低,可推广到类似的横向进水、分水工程中。

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