深水明渠附着水下空间体的水动力特性与体型优化

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。

深水明渠特殊施工围堰绕流水力特性研究

大型调水工程通常采用深水明渠输送,受供水保证率制约,渠道边坡衬砌板的修复通常只能在不停水条件下进行。内静外动钢围堰目前采用的是一种新的深水渠道水下施工技术。为评估施工对渠道输水的影响,对钢围堰绕流水力特性开展研究十分必要。通过采用三维水动力数值模拟与概化物理模型验证相结合的方法,对比分析了钢围堰渠段的水深场和流速分布的空间变化。研究表明钢围堰绕流影响了上下游渠道的流态,形成约0.11 m的局部水头损失;上游壅水长度约40 m,平均壅高约0.15 m;缩窄段局部水面跌落,流速增大为上游来流的1.58倍;下游扩散段有回流区,造成湍动能集中耗散,同时卷吸作用则对截留施工漂浮物有利。虽然钢围堰渠段的水流结构历经收缩与扩散的调整,但过流总体比较适顺,对渠道过流能力影响较小;研究成果可以为深水明渠护坡的不停水维修施工提供技术支撑。