空间体水动力特性及体型优化研究——南水北调中线干渠某渠段为例

摘要：

大型长距离输水明渠边坡衬砌破坏后，受供水保证率制约通常只能不停水修复，而现有施工技术在深水渠道中难以使用，寻找快速环保地进行明渠不停水修复已成为亟待解决的重大技术难题。突破传统施工围堰概念，提出使用“水下无底拱穹结构”作为大型明渠不停水修复的施工平台。以南水北调中线干渠某渠段为例，采用数值模拟与物理模型验证相结合的方法，开展了空间体的水动力特性及体型优化研究。首先基于水下空间体的构造与选定的约束条件，利用Rhion和Flow 3D软件搭建了研究渠段的三维水动力学模型；分别对设计的三种体型水下空间体进行了水动力数模计算，分析了渠道流态与流场、断面流速分布、回流强度、壅水及阻力损失等水力要素的特征，计算了空间体的绕流阻力，对比总结了三种体型空间体的水动力学特征。结果表明，半椭圆形水下空间体绕流阻力较小，对渠道过流能力影响最小，可考虑作为水下空间体的应用选型。本文的研究为渠道内快速开展不停水维修提供了新思路与技术参考。

关键词：

深水明渠; 边坡维修; 水下空间体; 数值模拟; 绕流阻力;

作者简介：

薛海(1976—),男，副教授，博士，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:xuehai@ncwu.edu.cn;

基金：

国家自然科学基金项目(51909093);水利部黄河泥沙重点实验室开放课题基金项目(201806);贵州省省州科技合作协议项目(黔科合[2017]7180号);

引用：

薛海，刘科，刘明潇，等． 深水明渠附着水下空间体的水动力特性与体型优化［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 4) : 134-142.

XUE Hai，LIU Ke，LIU Mingxiao，et al． Hydrodynamic characteristics and shape optimization of underwater space body attached to deepwater open channels［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2021，52( 4) : 134-142.

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0 引 言

南水北调中线工程自2014年正式通水以来，沿线豫、冀两省，京津地区受益匪浅，总干渠调水已由沿线地市的补充水源逐渐转换为主力水源，总干渠工程的供水保证率日益重要。但是工程巡查发现部分与水面交接区域衬砌板发生冻损现象；另外沿线许多深挖方区渠段地下水位高；在特殊环境条件(暴雨排水不畅),渠周过大的渗透压力会引起边坡衬砌破坏 。这些边坡破损问题将给渠道的正常运行带来巨大影响，同时由于一般长距离、大型输水干渠受运行工况的限制，没有停水维修的条件，只能在输水状态下进行边坡水下衬砌的维修。

针对输水状态下的大型深水干渠的边坡修复，国内外现在基本局限于技术简单成熟的围堰施工。围堰是指在水利工程建设中修建类似堤坝的临时性围护结构，其作用是防止水、土及其它物质进入或影响施工区域，以利于围堰排水，开挖基坑，修筑建筑物，可分为过水围堰和不过水围堰。现有水利工程中普遍采用的最多的是防渗性和稳定性较强的土石围堰、混凝土围堰、钢板桩围堰等形式。这几种围堰工艺已成为大型水利水电工程施工中的主要方式；此外，随着机械设备、施工技术与材料的大幅改进，近年来也衍生出了各式各样的复合型围堰，更加具有多样性与适应性，这使得围堰的应用越来越具有针对性 ;对于大型输水干渠的边坡修护技术研究也在日益深化，王小东等 通过对渠道常见渗漏成因和危害进行分析，提出了多种渗漏修复技术；谭泓 提出了水下分体式封闭钢围堰施工技术，创造了高效安全的水下施工条件，适用于水下局部施工。曹会彬等 的模袋混凝土水下快速修复输水渠道技术及应用和水下不分散混凝土渠道岸坡修复施工方案比选，通过对干渠衬砌破坏机理的研究、施工混凝土材料性能选取和结合多种施工工艺进行对比分析，较针对性为南水北调工程总干渠边坡的衬砌的便捷维修提供技术思路。综上研究，传统围堰技术仍是大型输水干渠边坡衬砌维修的主要方法，虽然其种类和施工工艺已经大有发展，但是传统的围堰施工通常需存在着许多问题，由于施工环境的制约，可能需要水下施工，施工人员安全存在隐患，施工效率和质量较低；围堰作为一种临时水工建筑物对干渠边坡自身有一定的破坏；而现有的其他技术如模袋混凝土快速修复、钢围堰等 虽然也许可以针对性解决这些问题，但用于大型引水干渠的修复施工时仍然存在局限性，如施工废物可能会对渠道水质造成的污染、施工周期较长等。因此开发一种安全高效、便捷环保的水下施工环境保障技术十分必要，这是一个具有紧迫现实需求的工程科学问题，对于提升我国水下工程修复水平具有重要意义。

为突破传统施工围堰技术瓶颈，解决不影响渠道正常输水的深水明渠施工环境保障问题。一些人提出采用水下空间体的无水施工方法，如有厂家设计放置在渠坡上的自沉式钢结构工作间，形成门架式水下修复区；基于打破现有施工技术瓶颈的迫切需求，及受水下可移动沉箱的启发 ,笔者也提出了“吸附式水下空间体”的技术构想。它采用附着于渠道边坡的轻型无底穹拱结构，构建用于修复施工的半开放“水下空间站”。基于水动力学原理确定空间体体型，满足结构安全、绕流阻力小的要求；采用模块化结构，方便运输、安装、拆卸与移动的要求。同时利用多唇吸盘有效增强轻型结构的抗浮稳定性与密封隔水性 。

水下空间体势必会对输水渠流场产生一定的阻力作用，不同体型的空间体表现出不同的水动力特性 ,其对渠道阻水影响也必然有一定差异；由于目前有关这方面的研究还很少，很有必要对不同体型水下空间体的水动力特性开展研究，厘清它们对流场的影响，这正是撰写本文的初衷。本文拟建立深水明渠水流三维数学模型，模拟计算布置不同体型空间体的流场；分析其对输水明渠的阻水影响，包括壅水高度，流速、流态，以及明渠水流对空间体的作用力。同时开展一些物理模型验证试验，通过对比分析，筛选出对渠道正常输水影响小且稳定性强的水下空间体体型。

1 水下空间体的基本体型及力学分析

1.1 水下空间体的基本布置形式

这里根据水下无底沉厢技术，提出采用轻型穹拱结构，构建半开放的水下封闭施工区(以下简称空间体),初步考虑的基本体型示意如图1所示；针对修复区域施工需求，的设计出的三种布置方式：半坡A型(基本体型)、半渠B型与贯通C型三种，如图2所示。

图1 水下空间体基本体型示意

图2 水下空间体三种不同类型

1.2 空间体(型)水下稳定的力学分析

顺流向力学平衡方程

绕流阻力

式中，C 为绕流阻力系数，与绕流物形状与绕流雷诺数有关；ρ为水的密度；V 为绕流物的来流流速；A为绕流物在垂直于流体运动方向平面上的投影面积。

水下空间体按垂直于水流方向置于渠道边坡上，如图1所示。在渠道过水情况下，分析空间体沿水流方向的受力状况，如图3所示。此时空空间体受到水流作用力F 和空间体与渠道边坡接触面的摩阻力F ,当空间体稳定时必然满足静力平衡关系，如式(1)所示。水流作用力实际就是空间体对流场的绕流阻力，根据流体动力学原理 ,可用式(2)表示。

图3 水下空间体受力分析

水下空间体顺流向的稳定性与绕流阻力的大小密切相关，而绕流阻力在很大程度上取决于绕流物的水动力特性；受空间体绕流干扰产生的流场流态及水流结构的调整正是对空间体水动力特性的反馈响应。因此对空间体水动力特性的研究就可以通过对其所在流场的三维水动力数值模拟研究来实现。绕流物的水动力特性直接受其体型影响，因此可以通过对不同体型空间体水动力特性的分析，探寻减小绕流阻力的方法，优化绕流物体型。显然绕流阻力越小，与之平衡的摩阻力就越小，水下空间体就越容易稳定；确定了绕流阻力其实就是确定了摩阻力的下限；空间体的结构设计、自重以及与边坡底面的接触方式都与摩阻力有关。

1.3 初步设计的几种空间体体型

根据明渠边坡维修对水下空间体的施工要求和结构设计构想，初步将空间体概化为三种体型，其横断面外形轮廓分别为梯形，类球场形半椭圆形；按A型布置方式，三种体型空间体布置在明渠右岸边坡上的三维效果图如图4所示。

图4 不同体型水下空间体的渠道三维模拟图(局部)

2 水下空间体的三维水动力特性研究与体型优化

2.1 流场三维数值模拟理论与方法

2.1.1 数学模型的控制方程

水流运动遵循自然界普遍运动规律，又有流体运动的特点。不可压缩流体(密度为常数)在运动过程中遵循的质量守恒、动量平衡规律，可由如下控制方程表示：

质量守恒方程

式中，xi、ui、 ρ 分别为i方向上的空间坐标、流体流速和流体密度。

动量平衡方程

式中，p、fi、μi分别为平均压强、i方向上的重力分量和i方向上的流体黏性；

是由Boussinesq假设推得的紊流雷诺应力。

采用k-ε 模型，则雷诺应力可由下述方程确定

vt为紊流黏度，与紊动能k和耗散率ε相关。计算公式如下

式中，Cu为常数，一般取0.09。

2.1.2 数值模拟方法

利用Flow-3D数值模拟软件对布设水下空间体后的明渠水流进行三维水动力数值模拟。计算中先采用有限差分格离散控制方程，再采用广义极小残差算法(GMRES)对得到的线性方程组进行迭代求解。采用FAVOR(Fractional Area Volume Obstacle Representation)来识别计算区域内的几何实体。鉴于VOF(Volume of Fluid)方法可以模拟多种互不穿透流体界面，在大型水工建筑物中水动力模拟中十分有效且应用普遍 。考虑到本文模拟的考虑到到明渠水流存在自由表面，且具有无空化、不稳定流动等特点，需要结合VOF模型界面构造功能，因此采用单流体VOF模型进行模拟 。选用单流体模型，只需计算含有液体单元而不考虑气体单元，可以大大缩减模型计算时间，对自由液面的求解也更加准确，从而提高流场模拟精度和效率。

2.2 模拟对象及范围

研究对象选取南水北调总干渠中段一个顺直渠段流场，渠道为梯形断面，如图5所示；渠道底宽14.5,设计水深7.0 m, 渠深10 m, 边坡坡比为1∶2.25,渠道纵比降为1/28 000,模拟渠道长度为220 m。

图5 模型渠道断面尺寸(单位：cm)

按A型布置方式，选用的三种空间体断面形式及尺寸如图6所示，顺坡轴向长度均为21 m; 三种空间体均布置在距进口120 m的渠道中部右侧边坡上。

图6 三种体型水下空间体模型断面尺寸设计(单位：cm)

2.3 模型网格划分

根据本次模拟的边界特点，并考虑计算的高效性、准确性和平稳性，计算域采用均匀的立方体网格进行剖分，三维坐标系中沿xyz坐标轴正方向的长度分别是220 m、59.5 m和12 m, 网格系统涵盖模拟渠道；网格单元尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m, 系统共有1 256 640个网格单元。三种空间体布设工况的网格划分一致，网格划分后的模拟区域图(以布设断面为梯形空间体的渠道模型为例)如图7所示。

图7 计算区域网格

2.4 模拟边界、初始条件

边界条件：根据原型资料统计分析并结合本次模拟渠道情况。确定边界条件：上游方向X-Min(进口端)边界设为流速边界，设定进口水深为7.1 m, 流速为1 m/s(由渠道设计流量和设计水深确定),维持上游连续稳定水流条件。下游X-Max方向(出口断面)设为压力边界，设定出口也为7.1 m水深，并设置为静水定压力，避免因末端流速过大导致流场水位降低，而影响计算结果；模型的左右边界(Y-Max方向，Y-Min方向)和下边界(Z-Min)均设为固璧边界，渠道固体壁面上边界条件符合流速不分离和无滑移条件；模拟区顶部Z-Max设为压力边界，压力为一个大气压，相对压强P=0。三种空间体作为三种附加边界条件，也作为三种计算工况。

初始条件：结合实际情况及模拟对象考虑确定相关参数，流体类型选择20 ℃的水，物理模型选择重力类，重力加速度为Z轴负方向，取-9.8 kg/s ;计算初始时刻水位为7.1 m。本次模拟为建有过水建筑物明渠渠道中正常水流的流态监测，模型渠道为上游来流、下游出流，属于连续流动；设定水流状态趋于稳定为停止模拟运行时间，设定数据输出时间间隔为10 s。

2.5 模型验证

为保证数学模型的有效性，运用上述数学模型及条件，对控制方程进行求解，对无工程状况下的数值模拟结果与相应的渠道实测数据进行模型验证。比较试验实测水流流速与计算水流流速(渠道纵向中轴沿线流速值),如图8所示，图中显示实测值和计算值基本吻合，表明所建数学模型参数选取基本合理。

图8 无工程渠道数值模拟与实测资料对比验证

2.6 数值模拟成果分析

2.6.1 流场流态分析

2.6.1.1 流场流速分布

通过对三种计算工况(布设三种体型空间体)下的渠道恒定流场模拟，得到的纵向流速分布云图如图9所示。从图9可以明显看到明渠段受空间体影响的流场流态，总体看布设三种体型的空间体后，渠道水流都出现了绕流现象与流速分布结构的重组。在上游进口流量和流速恒定的情况下，流速在近岸空间体附近范围内发生很大变化，即近岸流速有所减小，而中部流动核心的流速有所增大，在空间体上游(迎流面前),水流受空间体阻挡绕流同时流速减慢，主流离开渠道轴心向空间体对岸一侧偏移。随着水流逐渐接近空间体，形成上游壅水收缩区，靠近空间体顶部的流速逐渐增大；水流绕过空间体后，主流因惯性作用进一步收缩并在绕流物下游(背流面后)形成回流区。不同空间体在绕流区均出现最大流速，出现位置都偏离渠道中轴线而偏靠在空间体绕流上端，类似丁坝挑流流场特征，如图9所示。绕流物体型对绕流流场有很大影响，水流经过三种空间体时绕流产生的流线弯曲与水流收缩程度不同，绕流区流速变化调整相应也各不相同。经过绕流调整，布设为梯形断面空间体的绕流收缩最大，绕流区流速也较大，一般为1.64～2.09m/s; 布设类球场形断面空间体的绕流区绕流收缩影响次之，流速为1.19～1.56 m/s; 半椭圆形断面空间体的绕流影响最小，绕流区流速也最小，为1.14～1.49 m/s。

如图10所示，给出了三种空间体附近流场的三维流速分布状况，总体上三种空间体的流速空间分布状态比较相似，空间体近岸侧水浅流缓，均存在低速区；空间体离岸侧水深大，流速也较高，在三度空间流速都有剧烈变化调整。若以空间站中轴线为界分为上下游两侧，可以看到空间体下游侧区域存在较大回流区且有垂向流速梯度；最大流速均出现在中轴线上游侧紧傍空间体的水面附近，梯形、类球场形、半椭圆形空间体的最大流速分别为2.09 m/s、1.56 m/s、1.472 m/s, 而绕流区的平均流速则分别为1.88 m/s、1.45 m/s、1.32 m/s。

图10 三种水下空间体附近局部流速三维分布

图9 渠道水平面纵向流速分布云图

水流经过空间体时均有上游收缩、下游扩散、水面局部跌落现象，一方面在空间体上下游产生摩擦回流造成的低速区和负流速区，另一方面也形成了绕流局部能量损失。

2.6.1.2 水下空间体附近的绕流特征

如图9所示，由于空间体在流场中的导流作用，当水流流经空间体时，主流收缩左移，绕流流速明显增大；同时水流绕过空间体虽然扩散，但依然在空间体背后形成明显的顺时针回流旋涡区；水流经过收缩断面后逐渐扩散形成扩散带，在经过一段距离后重新扩散到右侧岸边。三种空间体下游的回流区形态相近，但回流区的范围及回流强度各不相同，统计相关数据如表1所列。三种工况下回流区产生的旋涡涡心距空间体距离基本相近，大约均为20 m左右。

表1 空间体下游回流区特征值比较

2.6.1.3 与物模成果对比分析

为检验校核数模计算结果的可靠性，还开展了水力物理模型试验进行比对研究。建立的物理模型几何比尺1∶40,为中心对称的半渠道模型，如图11所示，为椭圆断面空间体的模型局部照片。使用红外线流速仪对模型流场进行了流速采集，如图12所示为空间体尾部附近(图11中C-C线，相对水深0.6)沿流程流速模拟计算值与试验实测值的对比，图中虚线为空间体中轴线位置；可以看到两者在数值和变化趋势上均基本吻合，表明模拟研究成果具有一定可信性。

图11 半渠道物理模型(椭圆断面空间体，比尺 1∶40)

图12 两种模拟的流速对比(椭圆断面空间体)

2.6.2 空间体的水动力特性及影响

2.6.2.1 壅水作用及局部涡旋能耗

受水下空间体绕流阻水影响，过流类似无坎宽顶堰流；空间体上游侧出现壅水现象，下游侧有局部水面跌落。模拟计算得到的渠道水位等值线分布(见图13),和渠道中心处水深的沿程变化曲线(见图14)就清晰直观地反映了这一变化特点。图13中流场水位变化表明，在布设三种不同空间体的流场中均出现壅水的斜锋面，靠右侧所受壅水影响大且靠前，而左侧受影响小且滞后。结合图14分析表明，空间体下游有明显水位局部跌落，水流紊动性较强，过流局部涡旋损失。根据数模结果，得到了三种空间体各自的上游壅水值、过堰水位落差值如图15所示。三种体型对比表明，半椭圆体型壅水及水位落差最小，这表明绕流物局部涡旋强度最小，过流能量耗散最低；而梯形体的局部涡旋损失最大，过堰水头差也最大。

图13 渠道水位等值线

图14 渠道中轴断面沿程水深分布曲线

2.6.2.2 空间体的绕流阻力特性及对过流能力影响

布设于过流渠道右侧边坡的空间体受到来流的冲击力，这与空间体的绕流状态有关。由于不同工况下布设的空间体体型及对应的绕流流态不同，所受水流作用力也不相同。按照式(3)—式(6)方法，利用流场模拟计算成果，进行了绕流阻力的计算，三种空间体垂直流向的投影面积A基本相近，如表2所列，给出了三种不同体型空间体的绕流阻力计算成果，三者之间的对比关系如图15所示。通过对布设三种不同体型空间体的渠道流速分布、流场形态和回流区特征分析，并计算了对应的绕流阻力，可以得到布设半椭圆形断面空间体时附近水流流速最小，涡旋损失和绕流阻力也最小，即在渠道过流中引起的水流总阻力最小。同时还对三种体型空间站的过流能力进行了计算分析，计算结果如表3所列。表3中选取的三个关键指标为：堰前相对水深(Δz/H, Δz为水位壅高增加值，H为正常水深),相对流速(Δv/v,ΔA为平均流速相对增加值增加，A为正常流速),相对过流断面面积(ΔA/A,ΔA为相对过流断面面积增加值，A为正常流量下无工程渠道过流断面面积)。表3中三项指标对比可见，半椭圆形断面空间体对过流能力的影响是最小的。而布设梯形断面空间体时，渠道过堰流速较大，水流结构调整剧烈，空间体所受绕流阻力最大，表明引起的水流总阻力最大；对过流能力的影响比半椭圆体大1.7倍；布设类球场形断面空间体时各项指标较介于前两者之间。

表2 三种空间体的水下绕流阻力

表3 三种空间体的过流能力对比

图15 三种空间体流场特性对比

2.6.2.3 综合分析

通过对布设三种不同体型空间体的渠道流场状况及阻力分析表明，半椭圆空间体的过流阻力最小且过堰流态相对比较平稳、落差较小，对渠道过流能力影响最小；这种体型具有比较优良的水动力特性，可以作为明渠边坡修复施工的水下作业平台的最佳选用体型。而其他两种体型空间体表现出绕流阻力较大、能耗较多的水动力特性。

3 结 论

目前长距离输水渠道急需不停水边坡维修的专用施工装备与技术，本文针对深水渠道边坡修复的施工新装备“水下空间体”,进行了三种体型的流场水动力模拟计算与分析，以及1∶40物理模型试验验证，研究表明：

(1)水下空间体的体型对绕流阻力影响很大，三种体型中半椭圆断面空间体的绕流阻力最小，具有比较优良的水动力特性。

(2)空间体造成绕流物上游局部壅水、流速加大、水位跌落，下游存在回流区，对明渠过流形成一定干扰。空间体的水动力特性影响渠道过流能力，半椭圆空间体具有较好的流线型剖面，过流相对平稳，相对水深增加值3.8‰,仅对过流能力略有影响。

(3)选择水动力特性较优的半椭圆空间体作为深水渠道水下边坡修复平台，容易满足安全稳定条件，对渠道过流影响很小，是一种比较理想的体型。

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水利水电技术

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