南水北调中线沙河渡槽水力学试验研究

南水北调中线沙河渡槽水力学试验研究张明恩 杨春治 买巨喆 刘国龙摘要:沙河渡槽全长约119 km，由5 部份组成。为验证设计，采用水工物理模型与数学模型相结合的方法，对渡槽的水流运动特性进行了研究。结果表明:物理模型试验成果与数学模型计算成果吻合较好; 设计流量与加大流量条件下，渡槽的水头损失计算值分别为1750m和1946m，而水头损失的设计值分别为1770m和1968m，设计值略大于计算值，水头略有盈余;设计流量与加大流量条件下，渡槽各段的水流衔接良好，无回流现象。关键词:水工模型; 数学模型; 水力学试验; 沙河渡槽; 南水北调中线工程中图法分类号: TV6723 文献标志码: AHydraulics test and study on Shahe aqueduct ofmiddle Route Project of South-to-North Water DiversionZHANGmingen，YANG Chunzhi，MAI Juzhe，LIU GuolongAbstract: Shahe aqueduct is composed of 5 parts with a total length of 119 kmIn order to provide accuracy basic data for design department，by hydraulic physicalmodel andmathematicalmodel，the research on flow characteristics in the aqueduct is conductedThe results show that the physicalmodel test agrees well with themathematical calculation result; respectively，the design water head losses of the aqueduct are 177m and 1968m for design discharge and enlarged design discharge while the calculated value are 175m and 1946m，the design water head losses are slightly larger than the calculated，and the water heads are slightly surplus; under the design discharge and enlarged design discharge，the flow transition of various aqueduct sections is smooth and no backflow occursKey words: hydraulicmodel;mathematicalmodel; flow characteristics; Shahe aqueduct;middle Route Project of South-to-North Water Diversion沙河渡槽段全长约119 km，其中明渠段长约29km，渡槽段约9 km。渡槽段由沙河梁式渡槽、沙河大郎河箱基渡槽、大郎河梁式渡槽、大郎河鲁山坡箱基渡槽和鲁山坡落地槽5 部分组成。沙河渡槽段渠段起点设计水位12537m，与鲁山北段起点相接的终点设计水位为123489m，总水头差1881m，其中渠道占用水头0111m，渡槽占用水头177m，设计流量320m3/s，加大流量380m3/s。为验证设计，采用水工模型试验与数学模型计算相结合的复合模型研究方法，对沙河渡槽的水流运动特性进行了研究，本文简要介绍这一研究成果。1 数学模型以沙河梁式渡槽进口节制闸至鲁山坡落地槽出口间长约9 km的渠段作为二维数学模型的计算区域。采用基于平均水深的平面二维数学模型来描述水流运动。用正交曲线构建坐标网格，在渠宽方向布置100条网格线，宽度0507m; 沿渠道纵向布置910 条网格线，长度约10m，并在渡槽渐变段、连接段、节制闸、检修闸等复杂地方进行了网格加密。数学模型中为了准确模拟各种衔接段对渡槽内水流运动的影响，一方面在边界变化较大的各种渐变段与连接段对网格进行了局部加密; 另一方面则采用局部地形修正与局部糙率调整的办法进行概化处理，以反映其影响，对节制闸、检修闸等部分阻水部分按断面突然缩小的建筑物考虑，糙率系数为，其中，H为水深，为局部阻力系数。2 物理模型物理模型试验选取沙河渡槽3个局部段进行试验，沙河梁式渡槽模型主要为验证两闸过流能力并研究水流衔接情况，大郎河梁式渡槽模型主要为研究水流衔接情况，3个典型弯道段模型主要为研究弯道水头损失和横向水面差。模型比尺L = 30。模型上除了节制闸与检修闸采用有机玻璃制作外，其他则采用水泥砂浆抹面处理。供水系统通过水泵从水池内抽水，由管道经过电磁流量计输送到模型进口，再通过前池流入模型。模型出口的回水通过渠道回流到水池内，循环使用。在模型试验中，采用IFM4080K 型电磁流量计实测流量，水位用测针测量，流速用HD-4B 型旋浆流速仪测量，地形采用水准仪测量。3 物理模型试验成果沙河渡槽物理模型试验按两种工况进行: 设计流量与加大流量。试验中采用的下边界水位由数学模型提供。31 沙河梁式渡槽试验成果(1) 水流流态。在设计流量与加大流量条件下，沙河梁式渡槽段水流流态基本平顺。在渡槽进口段退水闸附近，虽然存在横向边界突变，但无明显回流; 进口节制闸与出口检修闸附近，水流流态基本平顺。(2) 水位变化与水头损失。在设计流量与加大流量条件下，根据试验数据整理得到进口连接段(含进口渐变段、进口节制闸与闸渡连接段) 与出口连接段(包括出口检修闸) 的水头损失(不包括速度水头变化，下同) 。在设计流量条件下，进口连接段与出口连接段的水头损失分别为0064m和0030m; 在加大流量条件下，进口连接段与出口连接段的水头损失均高于设计流量情况下的相应值，其值分别为0081m和0045m。(3) 节制闸与检修闸的过流能力。沙河梁式渡槽进口节制闸，在设计与加大流量条件下上、下游水位差分别为0019m和0031m; 出口检修闸在设计与加大流量条件下上、下游水位差分别为为0007m和0013m。进口节制闸的上、下游水位差要高于出口检修闸的上、下游水位差; 加大流量条件下闸体段的上、下游水位差要高于设计流量条件下闸体段的上、下游水位差。(4) 流速变化。沙河渡槽进、出口连接段流态平顺，在设计流量与加大流量条件下，进口段流速为102184m/s; 渡槽段流速为172208m/s; 出口段流速为167203m/s。32 大郎河梁式渡槽试验成果(1) 水位变化与水头损失。在设计流量条件下，进、出口连接段的水头损失分别为0024m和0028m; 在加大流量条件下，进、出口连接段的水头损失分别为0026m和0029m。加大流量的进、出口连接段水头损失均略高于设计流量的水头损失。(2) 流速与流态。在设计流量与加大流量条件下，大郎河梁式渡槽段水流流态基本平顺。进口段流速为144175m/s; 渡槽段流速为163 190m/s，出口段流速为154184m/s。33 典型弯道段试验成果(1) 水位变化。在设计流量下，沙河大郎河箱基渡槽左槽弯道段横向水面差为00150018m，右槽弯道段横向水面差为00120017m; 在加大流量条件下，左槽弯道段横向水面差为00130019m，右槽弯道段横向水面差为00120016m。横向水面差以弯顶为最大。(2) 流速流态。在设计流量与加大流量条件下，典型弯道段内水流流态基本平顺，流速为198230m/s。4 数学模型计算成果数学模型主要研究水位变化与水头损失、节制闸与检修闸的过流能力、渐变段与连接段的流速流态。计算采用的下边界水位由设计提供。41 水位变化与水头损失(1) 水位变化。设计与加大流量条件下的渡槽沿程水位计算值见表1，计算水位值与设计水位值基本一致。(2) 弯道段横向水面差。3个弯道段在设计流量条件下，横向水面差为0156 cm，加大流量条件下横向水面差为0366 cm，最大横向水面差位置均在鲁山坡落地槽弯道SH(3) 11 + 2600 附近。沙河大郎河箱基渡槽弯道段横向水面差的水工模型试验成果与数学模型计算成果基本一致。(3) 水头损失。5 段渡槽(沙河梁式渡槽、沙河大郎河箱基渡槽、大郎河梁式渡槽、大郎河鲁山坡箱基渡槽、鲁山坡落地槽) 在设计流量条件下的水头损失分别为0585，0601，0133，0301m和0130m，总损失为175m。加大流量条件下下水头损失分别为0754，0667，0092，0323m和0110m，总损失为1946m。沙河和大郎河梁式渡槽进、出口连接段水头损失的水工模型试验成果与数学模型计算成果基本一致。42 节制闸与检修闸的过流能力沙河梁式渡槽进口节制闸在设计和加大流量下，上、下游水位差分别为0021m和0029m，水工模型的上下游水位差分别为0019m和0031m。出口检修闸在设计流量和加大流量条件下，上下游水位差分别为0005m和0011m，水工模型的上下游水位差分别为0007，0013m。鲁山坡落地槽检修闸在设计流量与加大流量的条件下，上、下游水位差分别为0006m和0008m。沙河梁式渡槽进口节制闸与出口检修闸闸体段过流能力的数值计算与物理模型试验成果吻合甚好。43 渐变段与连接段的流速流态各渐变段与连接段内水流衔接良好，无回流出现。在设计流量条件下，沙河渡槽的流速为162232m/s，最大值出现在鲁山坡落地槽段; 在加大流量条件下，槽内流速为175251m/s，最大值出现在鲁山坡落地槽段。沙河和大郞河梁式渡槽各分段水流流速的数学模型计算值和水工模型试验值基本吻合。5 结语(1) 采用物理模型试验与数学模型计算相结合的方法，对沙河渡槽内的水流运动特性进行了研究