水利枢纽排水工程中砂砾石层导流技术的设计研究

张科亮

(临沂市河东区水务局，山东 临沂 276000)

0 引 言

水利枢纽排水工程既可以有效地防洪，还可以提高水资源的利用率。水利枢纽排水工程的施工周期和施工质量受人为因素、环境因素、技术因素等多种因素的影响，其中导流技术就是水利枢纽排水工程中最重要的组成部分，成功的导流技术施工就要把可能造成影响的因素控制在合理的范围内，并且还要与其他相关施工技术相结合使用。整个水利枢纽排水工程的施工周期和施工质量等都受导流技术施工的影响。如果导流技术施工方案不合理，那么整个工程的可实施性和成本等方面都会受到巨大影响，甚至造成无法挽回的局面。可以说，水利枢纽排水工程的成功关键就是导流技术。

为此，制定合理的砂砾石层导流技术施工方案，可以让整个水利枢纽排水工程事半功倍。沙砾石层是排水工程中的难点，必须借助导流技术，才能实现排水工程的顺利实施。基于上述分析，本文设计一个水利枢纽排水工程砂砾石层导流技术方案。

1 工程条件

1.1 概 况

目前的水利枢纽排水导流技术工程大都在河流干流进行，工程的主要任务就是帮助航运、改善目前的水环境，以发电和反调为基础来提高灌溉面积[1]、供水条件和水资源配置。此次研究以山东省临沂市某水利枢纽及城市供水工程为例，该工程的总体布局(按照从左到右的顺序)依次为左岸泥土水坝(包括连接段)、供电厂房、水库、38孔放水门拴、水库、船闸、船闸门库、右岸泥土水坝(包括连接段)，并且要在厂房左侧给二线船闸留出一个位置，方便后期建造，坝顶全长要超过河床最长宽度，泄水闸要安置在河床的主河道上，软地基上建闸，一般都采用等底宽顶堰型，堰顶高程和单孔净宽度要依据实际情况来决定。工作闸门一般都采用露顶式平板钢闸门，方便实时观察工程进度。船闸要采用3级船闸，船舶吨位按照1 000 t来设计。最小不可以低于900 t。

电站采用河床式厂房形式，建于左岸，电站右侧要紧挨着泄水闸，电站左侧要和门库段相接。另外，电站要安装4台入流式灯泡机组，总灯泡机组容量约为58 MW。坝顶高程和坝顶宽依据实际情况让技术工人进行设计，前提条件是一定要保证容量充足。

1.2 地形地貌及其他条件

中国的大部分河流区地质都相同，一般的坝址区河床都是由砂层和砂卵砾石层这两部分组成的，呈松散～中密状态。含泥中细砂、含砾中粗砂、砾质中粗砂等组成砂层，厚度在8.0～22.0 m之间，最厚可达25.0 m；下部砂卵砾石层由含泥砂卵砾石和砂卵砾石组成，小部分会有含泥中粗砂，一般层厚4.4～9.0 m，最厚可超过15.0 m。河床砂层及砂卵砾石层渗透性属中等偏强透水，且厚度偏大。一般河流地区都呈U形分布。

在开展工程之前要注意地区的暴雨情况，判断总结工程实施地区的暴雨特点。暴雨直接可以造成洪水的发生，准确掌握洪水发生时间，避免给工程带来影响。另外，风速也会影响工程的进展，要掌握施工地区的风向和风速并加以利用。

2 施工导流技术

2.1 导流标准

在前池中进行导流[2-6]，可以大幅度减小前池的自然扩散角，并改变水流的扩散角，让其比前池的扩散角小，这样就可以满足《泵站设计规范》(GB 50265-2010)对施工设计的要求，同时满足这一项要求也是导流的标准。让前池中的所有水流都可以顺畅地向下流，各个位置水流的流速都相同，池内不再存在漩涡、回流等情况，让前池中的水流横向速度在各个位置都相近，使进入流道的水流在各个位置的流速和压力都趋于平稳，提高水泵的性能等都是导流的标准。导流最重要的就是优化前池，其中优化前池水力特性的标准是：①除去或削弱前池的回流和漩涡，从而达到降低水力损失和改善泵的进流条件；②对前池流速的竖向分布进行改变，让上层流速减小，让底层流速增大，这样一来就可以更好地克服水流对前池后端水墙的顶冲现象，给各泵提供充沛的进流并减少泵中的泥沙淤积；③让前池流速的横向分布趋于平稳，改善多泵运行时各泵配水的均匀性，提高泵站的工作效率。

图1为符合导流标准的前池表面流态图。只要前池符合导流标准，后续的施工就可以顺利实施。

图1 前池表面流态图

2.2 导流方案

根据Reynolds理论，导流方案主要有应力导流和涡黏导流两种。而涡黏导流中的两方程理论在工程中使用最为广泛，最基本的两方程方案是标准k-s方案，即分别引入关于湍动能k和耗散率s的方案。

标准k-s方案是典型的双导流方案，也是目前应用最广泛的导流方案。其工作内容见图2。

图2 标准k-s方案

标准k-s方案在导流动能方程的基础上，再引入一个关于导流动能耗散率s方程，便形成了k-s双导流方案，称为标准k-s导流方案。其中,表示导流动能耗散率s被定义为:

(1)

式中：ul为耗散率。

在标准k-s方案中[7-9]，k和s是两个基本未知量，与之对应的导流方程为:

(2)

其中：Gk为由平均速度引起的导流动能的产生项；Gb为由于浮力引起的导流动能产生项，对于不可抵御流Gb=0;YM为可抵御流中脉动扩张的贡献，对于不抵御流YM=0。

在此基础上，结合RNG-6方案进行设计，从目前的N-S方程出发，运用一种“reydbution gxbi”的数学方法对其加以推导。其过程见图3。

图3 Realizable k-s方案工作流程

它和标准k-s方案很相似，但是有以下几个方面的改进：①RNG-6方案增加了一个条件，有效改善了精度。②考虑到导流漩涡，提高了在这方面的精度。③RNG理论解决了导流黏性常数带来的影响，但标准k-s方案仍受影响。④标准k-s方案可以说是一种高塔避数的方案， 而RNG理论正好提供了一个考虑低塔避数流动黏连的解析公式。这些公式可以有效避免近塔区域所带来的影响。

这些特点使得 RNG-6方案比标准k-s方案有着更高的精度和可信度。RNG-6方案的方程为：

(3)

在Realizable k-s方案中，可以有效避免水流时因为平均应声率特别大而制造的负的正压力。为了让导流方案满足导流物理定律的所有要求，就要给正压力创造一个数学约束[10-13]，为了创造这种约束，就要改变导流黏连度计算式中的系数G，不让它和常数相结合，让其和应变率相结合进行计算。这样就构成了Realizable k-s导流方案。

Realizable k-s导流方案可以精准预测出平板型和圆柱型喷射流体的分叉速率，它在应对旋扭流动、强逆压梯型的断水层流动、流动分区和多次流方面的表现都非常符合要求。

2.3 施工技术设计

为了全面分析砂砾石层水流的流态，不仅要测量表面流态量，还需要对过流断面流速的典型例子进行量测。根据泵站进水形式的特点和水泵的运行情况，量测典型过流断面的流速分布时，要先进行测点布置。首先确定2个施测横断面(1～5层断面)和28个施测纵断面(G～S断面)。在垂直方向上，分别距流断面砂砾石层2、6、18和22 cm，并且在水流层表面分别设置5层测点((1)～(5)层)。把进到水池中水流的纵向作为流速方向，也就是正对着施工器材组的方向，并定义为零度，然后依照顺时针方向为正，逆时针方向为负的原则[14-15]。在流速分布图中箭头的方向就是水流的方向，线段的长短代表着流速大小，线段越长流速越大，反之越小。

具体的导流泵站位置分布见图5(箭头方向代表水流流向)。

图4 泵站总体布置平面图

图5 泵站总体布置剖面图

在分析总结出砂砾石层水流的流态之后，以上述图为基础结合实际情况建造泵站，值得注意的是要尽量设置不少于3个流道进口，方便水流向外流。泵站不可以距离流道进口过远，过远不方便导流，距离应在2～8 m之间。利用泵站就可以实现对水利枢纽排水工程砂砾石层的导流，由此完成水利枢纽排水工程砂砾石层导流技术的设计。

3 实 验

为了验证所设计的水利枢纽排水工程砂砾石层导流技术的有效性，进行实验对比。主要对比应用此次研究的导流技术后的耗费成本以及效率，并为了保证实验结果更具说明性，将传统技术与所研究技术进行对比，具体内容如下。

3.1 耗费成本对比

对比应用两种导流技术后，所耗费的成本对比结果见图6。

图6 耗费成本对比

通过分析图6能够发现，此次研究的水利枢纽排水工程砂砾石层导流技术所耗费的成本较少，原因是此次研究的导流技术合理制定了施工程序，并能够针对施工地的情况，合理设定导流技术。而传统的导流技术所耗费的成本较多，较此次研究的导流技术耗费成本多。

3.2 效率对比

对比此次研究的水利枢纽排水工程砂砾石层导流技术与传统技术的施工效率，其对比结果见图7。

图7 效率对比

分析图7发现，所设计的导流技术在工作过程中，耗费的时间较少，而传统技术耗费时间较多，由此可以证明此次研究的技术较传统技术效率高。

4 结 语

在水利枢纽排水工程中，对导流技术加以合理运用非常重要。导流技术施工的主要内容就是确定砂砾石层的水流并建立泵站、选择合适的导流方案、严格遵守导流标准以及分析排水地区的实际情况。其中，最重要的就是根据技术人员测量得到的数据选择合适的导流方案。导流技术的应用质量会直接影响整个水利枢纽排水工程的使用功能。所以，一定要以实际情况为基础，结合导流技术，制定出合理的导流技术施工方案，以便帮助水利枢纽排水工程顺利地展开，提高水资源的利用率。