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李立群，陈晓楠，陈文学
（1.中国南水北调集团中线有限公司，北京 100038；
2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）
南水北调工程是缓解我国北方水资源短缺的战略性基础设施，事关战略全局，事关长远发展，事关人民福祉。工程规划东、中、西三条线路，其中，东、中两线已分别于2013 年11 月和2014 年12 月全线通水运行，西线工程尚在研究论证中。南水北调中线工程自丹江口水库引水，向河南、河北、北京、天津四省市供水，全长1 432 km，以明渠为主，基本靠重力自流输水，目前已经安全、平稳、持续运行7 个供水年度。截至2021 年11 月初，累计向北方调水超过430 亿m3，直接受益人口超过7 900 万人，优化了受水区供水格局，改善了城市用水水质，提高了沿线受水区的供水保证率，发挥出巨大的社会、经济、生态综合效益。
中线工程经历了多次汛期、冰期等输水工况检验，并于2020 年首次实现了渠首以设计最大流量420 m3/s 输水运行，全面检验了中线工程质量和输水能力。中线工程圆满完成各项输水任务，工程运行整体良好，但随着运行时间的增长，受冻融变化、混凝土的碳化、泥沙淤积等不利因素的影响，输水建筑物过流表面的不平整度逐渐增加，可能对输水系统的过流能力产生一定的风险。运行中也发现在一些渡槽槽身混凝土也出现了冻融剥蚀，以及少量菌藻和淡水壳菜附着等现象。为增强建筑物混凝土抵抗侵蚀破坏能力，并在一定程度上降低糙率、提升过流能力，开展通过在建筑物表面喷涂减阻降糙材料研究有较大的实际意义，以期用相对较少投入实现工程防护和过流优化的目的。
目前，国外常见的大规模的应用是将对减阻降糙材料用于油气管道内壁喷涂，减少管道阻力和提高介质的流动性，例如，世界上最长的海底管道Zeepipe，以及著名的Alliance 等管道都采取这种处理方式［1，2］。国外减阻涂料产品荷兰式玛FLOWCOAT03、德国Permecor337、英国伊伍德公司的EP2306HF 与COPON 等。我国经过约三十年研究发展，也取得了很大进展，中石油的AW-01涂料及中科院金属所SLF-21涂料已经获得工业的应用［3-6］。近年来，各种类似功能的材料出现不少并在工程上应用，如SK 聚脲材料属于聚氨酯中的一种特殊材料，具有良好的防渗效果，并可起到降低表面糙率作用，已在水利水电工程广泛应用［7，8］。甘肃省引大入秦工程、宁夏红寺堡扬水工程等采用SCL 防渗膜作为渡槽内衬，投资小、施工简便，在一定程度上起到降糙增流效果［9-11］。
水化硅酸钙C-S-H 凝胶是水泥硬化浆体中最复杂的纳米结构体系，其结构和性质决定着水泥硬化浆体的微结构特性，进而决定混凝土宏观强度和耐久性［12］。新型材料纳米胶是钠硝酸盐和钾硝酸盐为主要成分的高性能防水、保护胶体溶液，其主要成分会与混凝土中的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙凝胶，填补混凝土中的缝隙，形成致密层，从而增强混凝土表面强度，同时能够使混凝土表面更加致密光滑，抑制菌藻、壳菜成长，降低糙率。因此，本文选择中线工程典型渡槽作为试点，探讨通过喷涂一种无毒无害且稳定性高的纳米材料，降低混凝土表面粗糙度，并通过试验前后流态对比和水力学计算，检验其对改善渡槽输水流态，降低渡槽输水糙率，提升过流能力的效果。
1.1 渡槽概况
选取河北境内放水河渡槽作为试点，开展降糙试验研究。放水河渡槽位于河北省唐县东北南放水村附近，为三槽一联预应力矩形渡槽，设计流量135 m3/s，加大流量160 m3/s，进口设计水位69.44 m、加大水位69.99 m，出口设计水位69.30 m、加大水位69.83 m，设计流量下分配水头0.14 m、加大流量下分配水头0.16 m。渡槽进口设有40 m 长的渐变段和20 m 长的节制闸段；
出口设有10 m 长的检修闸段和40 m 长的出口渐变段，详见图1。
图1 放水河渡槽进出口布置Fig.1 Inlet and outlet layout of Fangshuihe Aqueduct
放水河渡槽上游为唐河倒虹吸节制闸，距离放水河节制闸25.7 km，闸前设计水位70.49 m、加大水位70.97 m。放水河节制闸下游为蒲阳河倒虹吸节制闸，距离放水河节制闸13.2 km，闸前设计水位68.64 m、加大水位69.23 m。试验过程中，放水河渡槽进行试验的槽身对应的节制闸门全部开启，通过调节唐河节制闸和蒲阳河节制闸的开度，控制放水河渡槽的流量和水位。
1.2 材料介绍
本次降糙减阻试验材料选择纳米胶。该材料是钠硝酸盐和钾硝酸盐为主要成分的高性能防水、保护胶体溶液，纳米胶中的主要成分会与混凝土中的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙凝胶，填补混凝土中的缝隙，形成致密层，从而增强混凝土表面强度，保护混凝土碱性环境，并阻滞水、盐、酸碱、二氧化碳和微生物等劣化因子的侵入。涂刷纳米胶之后的混凝土即使在干燥后，一旦被供给水分，纳米胶会继续和氢氧化钙发生反应，因此，对于新产生的裂缝具有持续自修复能力。纳米胶涂料产品主要特点如下：
（1）环保防污染。无色无味无毒，无有机挥发成分，无重金属成分，防污防尘，抑制藻类生长。
（2）防止混凝土表面开裂。表面张力很小，具有极强的浸透性，可渗透进入混凝土表层40 mm 以上，与氢氧化钙生成水化硅酸钙凝胶，封堵混凝土中的微小裂隙。
（3）防水渗透。对混凝土表层进行改性，提高了表层结构的致密性，降低混凝土表层的空隙率，从而达到抑制表面透水、吸水的效果。
（4）防冻融破坏。具有抑制混凝土表层透水、吸水的效果，可有效防止冻融破坏。
（5）防碳化。混凝土涂刷纳米胶后，表层结构致密化，可有效阻止二氧化碳和水分从外向混凝土内部渗透，避免钢筋的锈蚀。
（6）防盐害。通过提高混凝土表层结构的致密性，可有效抑制氯离子和水份的浸透，从而减缓钢筋的锈蚀。
由于纳米胶的上述特性，该材料目前已较多应用于水工建筑物、水处理结构物、高速公路混凝土表面、高铁桥面、机场跑道、混凝土隧洞、输水渠道等。
1.3 调度方案
选择放水河渡槽1 号、2 号孔进行对比试验，其中1 号孔槽身进行清理并涂纳米胶，2号孔槽身清理不涂纳米胶，通过分析1 号、2 号孔处理前后过流能力变化，及1 号、2 号孔之间过流能力的差异，以评估喷涂纳米胶对渡槽降糙及输水能力的影响。
放水河渡槽槽身段较短，仅240 m，设计水深4.5 m，渡槽水头损失较小，糙率的率定比较敏感，微小的水力测量误差可能产生较大的糙率率定误差，为提高渠道糙率率定精度，减小糙率率定的不确定度，考虑增加渡槽的输水流量。放水河渡槽减糙试验期间，放水河渡槽的输水流量为105 m3/s 左右。水力学观测期间，采用2 孔过流，单孔的输水流量约为52.5 m3/s，与加大流量工况接近。此外，当采用2孔非对称过流时，为了保证渡槽的输水安全，渡槽内的水深通常控制在3.5 m 左右，较设计水深降低了1.0 m。因此，试验期间，渡槽内的水流流速大于加大水深情况下的水流流速，渡槽内的水头损失也将大于加大工况下的水头损失。非对称过流运行，可以提高糙率的测量精度。试验期间，放水河渡槽的调度方案如下：
（1）试验开始前，以下游蒲阳河节制闸闸前水位为控制指标，逐步将蒲阳河节制闸的闸前水位降低至68.11 m 左右，此时放水河渡槽水深可降低至3.5 m 以下，2 孔槽身的过流能力为105 m3/s左右。
（2）关闭放水河2 号节制闸，1 号、3 号节制闸全开，维持上游唐河节制闸和下游蒲阳河节制闸输水流量不变。测量1号孔上、下游水位，1 号孔的输水流量大小，及渡槽进出口的水流流态。
（3）关闭放水河1 号节制闸，2 号、3 号节制闸全开。该渠段输水流量趋于稳定时，测量2号孔进出口水深和单孔输水流量。清理1号槽过流表面，并在过流表面上喷涂纳米胶。
（4）关闭放水河2 号节制闸，1 号、3 号节制闸全开。测量1号槽身上下游水位及输水流量。清理2号槽身。
（5）关闭放水河1 号节制闸，2 号、3 号节制闸全开。测量2号槽身进出口水位及输水流量。
（6）试验测量结束后，逐步开启1 号节制闸，减小2 号、3 号节制闸开度，调整放水河节制闸进入正常运行状态。
整个试验过程中应严格控制水位降幅不超过0.15 m/h，以及0.30 m/d。
1.4 观测方案
为了计算过流表面的糙率，需要测量的物理量包括：断面尺寸、水深、断面间距、底坡和流量。放水河渡槽设计流量占用水头只有0.14 m，为准确评估渡槽的糙率，试验过程中尽量保持输水流量不变和水流平稳，并尽可能提高流量和水深的测量精度。
放水河渡槽进口设置有40 m长的渐变段，受直线收缩的影响，水流在渐变段内逐渐收缩，汇交后产生折冲水流，槽身进口段水流出现不同程度的波动，波动幅度随着输水流量的增加而增加。随着渡槽输水流量的增加，渡槽的水头损失增加，糙率测量的不确定度减小；
但是，渡槽内水流波动幅度增加，水深和流量测量的不确定度随之增加。为了减小糙率测量的不确定度，将上下游测量断面布置在水流相对平顺的位置。
（1）断面布置。上游测量断面：进口节制闸下游约25 m处。布置高精度雷达式水位计一台。下游测量断面：出口检修闸上游约15 m处。布置高精度雷达式水位计一台、电磁流速仪一台（下游断面水流相对平顺，可作为流量监测断面）。
（2）流量测量方法。流量的测量方法较多，如量水堰槽法、平均流速法、流速面积法等。综合考虑各种方法的适用条件及渡槽实际运行工况，本次研究中选用电磁流速仪测量断面流速分布，利用流速面积法计算渡槽的输水流量。
（3）流速测点分布。垂线分布：规范规定，水面宽5～20 m时，垂直测线间距为1.0～2.5 m。布置6 条垂直测线，测线间距为1.0 m。垂线上测点分布：规范规定，当水深超过3.0 m时，应采用五点法测量，即测点分别布置在相对水深0、0.2、0.6、0.8 和1.0处（水深为3.5 m时，分别是0、0.7、2.1、2.8和3.5 m）
对于恒定非均匀流，可利用能量方程和沿程摩阻损失公式进行推算，能量方程如下：
式中：z1、z2为上下游断面水位，m；
v1、v2为上下游断面流速，m/s；
α1、α2为上下游断面动能修正系数；
hf、hf分别为沿程水头损失和局部水头损失；
g为重力加速度。
一般α1、α2取1，试验渠段选择顺直部分忽略局部水头损失，渠道底坡较缓情况下，以下游断面底部位作为水平基准线，将能量方程转化为：
式中：y1、y2为上下游断面水深，m；
s0为底坡；
L为上下断面之间距离，m。
沿程摩阻损失，可用下式计算：
式中：Q为流量，m3/s；
n为渠段的平均糙率。
式中：A1，A2为上下游断面面积，m2；
R1，R2为上下游断面水力半径，m。
糙率按下式计算：
3.1 断面平均流速计算
断面平均流速准确计算对测量结果关键，若采用简单加权平均，则计算结果可能偏大。为了分析断面流速分布的不均匀性，研究中采用FLOW3D 模拟了放水河渡槽中的水流运动。模拟区域总长为250 m，包括槽身及两端渐变段，计算网格采用非均匀网格剖分，并使用了网格嵌套技术，即在自由表面和边壁附近加密网格，以提高自由表面的分辨精度。最大网格尺寸为10 cm，最小网格尺寸为5 cm，总活动网格数据最大500 万。数值模拟的初始条件如下：进口水深3.5 m，进口流速按均匀分布为2.0 m/s。数值模拟分析表明，槽身边壁附近水流紊动强度较高，水流流速较小，渡槽中心部位流速相对较高，参见图2；
不同垂线上，流速呈指数分布，见图3。因此，当用6 条垂线的流速计算断面平均流速时，不同垂线上应取不同的权重。经分析表明，当垂线Y=1 m和Y=6 m的权重取3，Y=2 m和Y=5 m的权重取2，Y=3 m和Y=4 m的权重取1时，计算结果与实际断面平均流速吻合较好。根据上面的分析，本研究中断面流速分布的计算公式如下：
图2 渡槽典型断面上紊动能分布和流速分布Fig.2 Turbulent kinetic energy distribution and velocity distribution on typical section of Aqueduct
图3 不同垂线上流速分布Fig.3 Velocity distribution on different vertical lines
3.2 糙率结果分析
本次试验共进行了4 次水力学原型观测，1 号槽、2 号槽清理（喷涂纳米胶）前后上下游断面水深、断面平均流速、过流流量和计算糙率见表1。从表1 中可见，1 号槽清理前的糙率是0.013 0，清理并喷涂纳米胶后的糙率为0.010 5，喷涂纳米胶后，过流表面的糙率降低了19.2%。2 号槽清理前的糙率是0.013 2，清理后的糙率为0.012 0，过流表面清理后，糙率减小了9.18%。1 号、2 号槽身横向比较，1 号槽清理并喷涂纳米胶后，糙率为0.010 5，2 号槽清理后的糙率为0.012 0，喷涂纳米胶后，过流表面的糙率减小了12.79%。
表1 放水河渡槽清理前后水力参数变化情况Tab.1 Changes of hydraulic parameters before and after aqueduct cleaning
根据测试分析如下：放水河渡槽水力学原型观测表明，纳米胶具有较好的降糙效果。与2 号槽身相比，喷涂纳米胶后，1号槽身的过流表面糙率减小12.79%。当渡槽水深取设计水深4.5 m时，按照均匀流公式计算，1号槽的过流能力较2号槽增加14%左右。
1 号槽喷涂纳米胶后，1 号、3 号槽身过流，2 号槽进口节制闸关闭时，现场观察表明，1 号槽的出流流速明显大于3 号槽的出流流速，参见图4。表面流速观测显示，1号槽身中，漂流瓶从入口到出口的运行时间是1 分43.31 s；
3 号槽身中，漂流瓶从入口到出口的运行时间是1 分54.42 s。当进出口距离取240 m时，1 号、3 号槽的表面流速分别约为2.32 和2.10 m/s，1 号槽的表面流速较3号槽的表面流速增加了约9.7%。
图4 1号、3号槽过流时的水流流态Fig.4 Flow pattern of 1#，3#trough during overflow
利用测量结果，可以得到糙率的绝对误差和相对误差。计算结果表明：4种测量工况下，糙率计算的绝对误差在0.000 43～0.000 51 范围内变化，糙率的相对误差为3.33%～4.57%，表明测量结果是可信的；
对于本试验研究而言，为了减小测量误差，渡槽的输水流量接近各槽身的加大流量值，因渡槽中的水深只有3.5 m，小于设计水深4.5 m 和加大水深5.048 m（渐变段进口），水流流速大于加大流量情况下的水流流速，因此，影响糙率率定的关键物理量是上、下游水深和底坡，提高水深和底坡的测量精度，可进一步减小糙率的测量误差。
从试验结果来看，渡槽经过涂刷纳米胶材料后，表面可以变得更光滑，在一定程度上起到了降低建筑物表面糙率，提升过流。但需要注意的是，整个总干渠的综合糙率影响因素众多，成因复杂，例如建筑物的流态、布局、桥梁、弯道等，因此仅仅通过增加表面光滑程度对整个输水能力提升效果需深入分析和研究，此外涂刷材料后建筑物边壁对防制藻类、壳菜、淤泥等附着效果还需要后续进行较长时间观察对比。
根据试验的结果，对纳米胶降糙机理进行初步分析和探索：水化硅酸钙（C-S-H）凝胶是水泥硬化浆体中最复杂的纳米结构体系，其结构和性质决定着水泥硬化浆体的微观结构特征，进而决定混凝土宏观强度和耐久性。纳米胶中的主要成分与混凝土中的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙凝胶，可填补和修复混凝土中的微小裂隙，增加混凝土表面的致密性，减小混凝土表面的当量粗糙度。纳米胶的混凝土表面修复功能是其降糙的原因之一。此外，纳米胶增强了混凝土表面的致密性，因此使得混凝土表面具有一定的防水渗透功能，混凝土表面固体粒子界面上可能会由于吸附作用而形成水膜层。由于水膜的存在，流动水体与固体表面的接触减小，从而降低阻力。
通过在南水北调中线工程建筑物表面涂刷纳米胶进行减阻降糙，以放水河渡槽为典型试验对象，建立了测试调度方案，提出了水力学原型观测中流速和水面高程的测量方法，分析了4 次测量工况下放水河渡槽的糙率值，并计算了糙率的绝对误差和相对误差，主要结论如下。
（1）糙率的绝对误差为0.000 43～0.000 51，相对误差为3.33%～4.57%，表明测量方法是合理的，糙率的计算结果是可信的。研究表明，提高上下游断面水深和渡槽 底坡的测量精度，可进一步减小糙率的计算误差。
（2）1号槽身清理之前的糙率为0.013 0，清理并喷涂纳米胶后的糙率为0.010 5，糙率减小了19.2%；
2 号槽身清理之前的糙率为0.013 2，清理后的糙率为0.012 0，糙率降低了9.18%。与表面清理后的2 号槽身相比，1 号槽身清理并喷涂纳米胶后，过流表面的糙率减小了12.79%，说明纳米胶涂层对建筑物表面具有较好的减糙效果。
（3）影响输水渠道的综合糙率因素众多，成因复杂，建筑物表面减阻对整个过流能力的提升程度有待进一步深入分析。对于涂刷纳米胶改善过流和防止淡水壳菜等附着的效果，还需长期跟踪并开展观测研究，测量建筑物的输水能力变化，观察过流表面生物附着等，为该方法的推广应用提供科学依据。
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