截流技术水力学研究分析

1.截流技术水力学计算

(1)截流龙口段二维水力学计算。

1)计算范围及地形资料。计算所取河道全长1000m,截流戗堤以上460m,以下540m。所采取的基本地形资料为安徽省水利水电勘测设计院2003年9月绘制的1∶500河道地形图。

2)围堰戗堤进占各阶段情况。戗堤进占进度如表4-1所示。

表4-1　临淮岗工程淮河截流戗堤进占进度表

3)龙口位置及龙口段水流条件。实际截流龙口部位选择在水深较浅部位,截流龙口位置如图4-1所示。

河道截流时的总来流量Q 由下列几部分组成

图4-1　淮河主槽段截流围堰位置示意图

在一般情况下,截流戗堤的渗流量Q渗和截流过程中上游河槽调蓄的流量Q蓄可以在计算时忽略。

表4-2给出了不同截流时段的龙口段流量,以此作为截流水力计算初始条件。

表4-2　不同截流时段的龙口段流量

(2)截流龙口段二维水力学计算成果分析。在龙口宽B=60～20m 区段内水深在10m 左右,属截流最困难区段,表4-3和表4-4分别给出了在不采用定位沉船和采用定位沉船时此区段截流计算所得龙口流速和落差。

表4-3　截流各时段的龙口流速和落差计算结果(不采用定位沉船)

表4-4　截流各时段的龙口流速和落差计算结果

在相同截流条件下,龙口流速和落差是衡量截流难度指标的重要因素。综合比较表4-3和表4-4,在龙口宽度大于40m 时(即尚未开始实施定位沉船措施阶段),两种工况下计算所得流速和落差结果基本吻合;当龙口宽度相同时,采用定位沉船截流措施后龙口流速和落差都明显减小,说明定位沉船截流措施能够有效降低截流难度。

表4-5为采用定位沉船措施实际截流过程龙口流速和落差资料。在尚未开始实施定位沉船措施时,计算所得流速和落差与实测资料基本吻合;由于计算网格模型的简化,将沉船体作为河床的一部分,并没有考虑到实际沉船体与河床会形成过水通道,导致计算所得流速和落差偏大。

表4-5　截流各时段的龙口流速和落差实测资料(采用定位沉船)

2.截流抛石粒径计算(www.xing528.com)

(1)立堵截流抛石粒径计算理论。1994年,肖焕雄、唐晓阳从截流实际出发,首次研究了流水作用下群体抛投混合料的稳定性问题,并提出了相应的计算方法和公式

式中 Zm——最大落差;

C——临界落差与最大落差之比,一般取值在0.7～0.9之间;

φ——立堵截流流速系数,一般取值在0.8～0.95之间;

K——材料综合稳定系数;

γm——抛投材料容重;

γw——水容重。

(2)不采用定位沉船措施时抛石粒径计算。由式 (4-1)可知,只要能确定公式中的C 值,则可计算出抛投材料最大粒径Dmax,理论上临界落差与最大落差的比值界于0.7～0.9之间。

依据不采用定位沉船工况下截流水力计算所得各截流时段龙口落差及龙口流速分别求得C=0.75,C=0.80,C=0.85时的抛投粒径,其中:φ取0.85,K 取0.93,γm取天然石料容重2.65t/m3,γw取1t/m3。见表4-6和表4-7。

表4-6　临淮岗工程淮河截流龙口落差与抛投粒径关系表(不采用定位沉船)

表4-7　临淮岗工程淮河截流龙口流速与抛投粒径关系表(不采用定位沉船)

(3)采用定位沉船措施时抛石粒径计算。根据截流过程中龙口落差及龙口流速分别求得C=0.75,C=0.80,C=0.85时的抛投粒径,其中:φ取0.85,K 取0.93,γm取天然石料容重2.65t/m3,γw取1t/m3。计算结果略。

(4)抛石粒径计算成果分析。截流过程中最大抛投粒径是通过确定临界落差与最大落差的比值C,并综合考虑龙口最大流速计算所得抛投粒径来确定的。在不采用定位沉船工况下,在C=0.85时,由最大落差求得的抛投粒径同由最大流速求得的抛投粒径基本相同,误差在5%之内;在采用定位沉船工况下,在C=0.75时,由最大落差求得的抛投粒径同由最大流速求得的抛投粒径基本相同,误差在5%之内。

当采用定位沉船截流措施时,所求得截流平均最大抛投粒径为0.59m 左右,用公式m=γmπD 3/6换算出相应球体石块的质量大约是0.28t;当不采用定位沉船截流措施时,由截流水力计算龙口水力参数所求得截流平均最大抛投粒径为1.15m 左右,同样换算出等效球体石块的质量大约是2.11t。

3.截流难度指标分析

(1)衡量截流难度的指标。由于影响立堵截流的因素多而复杂,要想用一个综合指标来衡量它是很困难的,目前国际上广泛流行的综合指标中以龙口水流单宽功率N 较为典型,有如下表达式:

式中 γw——水的容重;

qvmax——最大流速情况下龙口单宽流量;

Z——龙口落差。

不难看出,N 代表了龙口水流动能。既包含了v,又包括了Z,这是很合理的。在截流过程中,当出现N的最大值时,记为Nm。

(2)截流难度指标分析。根据公式(4-2),当采用定位沉船截流措施时,求得最大流速情况下龙口单宽流量qvmax为6.917m3/s/m,可得龙口水流最大单宽功率Nm=9.545t·m/ (s·m);当不采用定位沉船截流措施时,依据截流水力计算所得龙口水力参数,可求得最大流速情况下龙口单宽流量qvmax为8.625m3/s/m,可得龙口水流最大单宽功率Nm=17.509t·m/ (s·m)。采用定位沉船措施有效的减小了龙口水流最大单宽功率,从而降低了截流难度。