鄧召云

(樟樹市水利局，江西 宜春 331200)

梯形復(fù)式斷面明渠流場(chǎng)特征試驗(yàn)研究

鄧召云

(樟樹市水利局，江西 宜春 331200)

本文采用重力相似準(zhǔn)則，建立了原型梯形復(fù)式斷面無壩引水工程的室外試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，解決了在無壩引水工程中開展試驗(yàn)觀測(cè)難度大的問題。同時(shí)對(duì)主河道與明渠交叉點(diǎn)即明渠進(jìn)水口及主河道上下游的流速進(jìn)行了三維觀測(cè)，探討了不同河流斷面位置處的流速變化，為未來無壩引水工程通過水流流速變化進(jìn)行泥沙淤積治理提供理論參考。

無壩引水工程；流場(chǎng)；明渠進(jìn)口；重力相似準(zhǔn)則

1 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

本文以江西省某新建的泵站取水工程為研究對(duì)象，采用縮小實(shí)物比尺的室外模型模擬實(shí)際水工建筑物水流運(yùn)動(dòng)特性的方法，探究無壩引水工程各部位的水流流動(dòng)情況。該工程包括取水口、引水明渠、輸水管線、泵站等單位工程，取水口年徑流總量為8.12×1011m3,年平均水位為3.1 m，本工程所在河段泥沙粒徑D50分布范圍為0.02～0.06 mm。為了確保模型實(shí)驗(yàn)?zāi)芨訙?zhǔn)確的模擬實(shí)際水流的流動(dòng)特點(diǎn)，模型的水平比尺λl=40。模型設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)考慮了水流和泥沙運(yùn)動(dòng)相似原理[1]，各主要比尺計(jì)算結(jié)果如下：流速比尺λv為4.69，流量比尺λQ為4.128，糙率比尺λn為1.22。模型含沙材料采用密度為1.45 g/cm3的煤粉，泥沙沉速和揚(yáng)動(dòng)的粒徑比尺分別取1.52和1.66，根據(jù)運(yùn)動(dòng)相似準(zhǔn)則計(jì)算的次要比尺不一一列出，計(jì)算公式見文獻(xiàn)[2],室外模型試驗(yàn)平面布置圖見圖1，其中WZ代表所測(cè)的流速斷面，流速采用三維流速儀測(cè)定，分別為X、Y、Z3個(gè)方向的流速，規(guī)定流速為正值時(shí)，與試驗(yàn)標(biāo)定的流速方向相同，流速為負(fù)值時(shí)，與標(biāo)定的方向相反。模型有兩組泵站組成，通過引水管道將水池中的水引入渠道后，通過攪拌機(jī)產(chǎn)生水流擾動(dòng)，干擾主河道的水流，進(jìn)而模擬實(shí)際渠道的水流運(yùn)動(dòng)。各測(cè)量流速斷面的間距為15 m，縱向觀測(cè)總長(zhǎng)度為250 m，主河道的總長(zhǎng)度為450 m。通過建立以上室外模型來測(cè)定主河道、明渠進(jìn)口及引水明渠的水流流速即流場(chǎng)分布。

圖1 室外模型試驗(yàn)平面布置圖

明渠的流場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)分為明渠進(jìn)口和主河道上下游段流場(chǎng)變化，依據(jù)水頭特點(diǎn)，設(shè)定的試驗(yàn)工況參數(shù)如下：河道水位為7.12 m,觀測(cè)的原型河道和明渠流量為761.19 m3/s和6.17 m3/s，模型河道和明渠流量為194.31 m3/s和1.57 m3/s，復(fù)式明渠水位測(cè)針筒測(cè)針讀數(shù)為31.69 cm。在試驗(yàn)開始后，當(dāng)水流運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)，分別測(cè)定400個(gè)瞬時(shí)流速值，流速變化不符合規(guī)律的數(shù)值取前后時(shí)刻的平均值，最后取所有流速的加權(quán)平均值作為該斷面的流速。

2 明渠進(jìn)口流場(chǎng)變化

明渠進(jìn)口處水流為渠道中水流運(yùn)動(dòng)最復(fù)雜的部位，其為主河道與引水明渠的交界處即分流處，該部位發(fā)生的紊流在縱向阻力作用下常形成螺旋滯留，且常形成泥沙淤積，造成水位抬高，對(duì)兩岸的防洪安全造成很大的影響，因此研究該部分的水流變化是非常重要的。本文取WZ05～WZ09斷面為研究對(duì)象，樁號(hào)范圍為5+00～9+00，斷面間距為15 m，樁號(hào)間距為3 m。流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)平面布置圖及水流方向坐標(biāo)系設(shè)置見圖2，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在明渠進(jìn)口前段攔沙坎和主河道7+00樁號(hào)的交點(diǎn)處，y=0代表進(jìn)口上游處，y=100代表進(jìn)口下游處。以U正值代表渠道軸向X方向的水流方向，V負(fù)值代表主河道水流方向，W負(fù)值代表垂直水面向下。m代表邊坡系數(shù)，以Y/m為橫軸，Y方向-100～0不同位置處的流速變化見圖3。

圖2 流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

對(duì)明渠進(jìn)口處流速三維觀測(cè)建立的平面直角坐標(biāo)系見圖2A區(qū)域處，Z軸方向?yàn)榇怪彼嫦蛏蠟檎?，不同x值斷面處明渠進(jìn)口縱向流速觀測(cè)結(jié)果見圖3，可以看出x=10和x=14斷面處的流速分布較相近，x=10斷面處，U=-0.03～0.09 m/s，V=-0.84～-0.70 m/s，W=-0.15～-0.11 m/s，流速分布均較均勻，從x=18斷面開始，V方向的流速開始逐漸減小，即從明渠進(jìn)口流向下游方向的流速逐漸減小，這與進(jìn)口處水流分流流向明渠一側(cè)是相符的。x=18～30斷面處開始出現(xiàn)回流但回流表現(xiàn)不很明顯，x=34～50斷面即距離明渠進(jìn)口越近的位置，回流現(xiàn)象越明顯，U方向處第一次回流出現(xiàn)在y/m=50位置處，W方向?yàn)閥/m=-85，因V方向水流為垂直流動(dòng)所以其未發(fā)生回流。距離明渠進(jìn)口較近的位置，流速波動(dòng)較大，隨著X和Y/m的增加，V方向流速逐漸減小，U方向的流速先減小后增加，在y/m=-40和x=42～50處，V和W方向處減小為0，即在明渠進(jìn)口位置處的水流向下游的流速和垂向流速為0，x=38～50位置處U方向的水流回流位置出現(xiàn)在y/m=-60位置。在不同斷面處W方向的流速變化均較平穩(wěn)。x=46和x=50位置處，明渠口中心位置的水流表現(xiàn)為上游水體向下流動(dòng)，流速逐漸減小，下游水體向上流動(dòng)流速逐漸增加，表現(xiàn)為相反的流動(dòng)現(xiàn)象。

圖3 明渠進(jìn)口平均流速縱向分布

明渠進(jìn)口的橫向流速見圖4，可以看出：不同斷面位置的V方向流速隨著x增加即靠近上側(cè)主河道邊界位置處的流速逐漸減小，這是由于受邊界阻力作用的結(jié)果，7+70～WZ08斷面位置的V流速變化逐漸變緩，主河道下邊界不同斷面處的U、V、W方向流速基本相同，U=-0.03～0.05，V=-0.75～-0.63，W=-0.13～-0.08，在7+40斷面即明渠進(jìn)口中心處的水流回流現(xiàn)象已非常明顯，不同斷面處的流速V值均較大。

明渠進(jìn)口的垂向流速見圖5，距離明渠進(jìn)口中心處的垂向流速較小，隨著z/h的增加即越接近水面的位置，上層水體的流速大于下層水體的流速，以x=26斷面為例，上游水體的流速大于下游水體，同一軸線位置的流速差值為0.03～0.06 m/s。

3 主河道上下游流場(chǎng)變化

主河道的泥沙淤積程度大于分流明渠[3]，且明渠取水后，明渠進(jìn)口的水流將會(huì)對(duì)主河道的水量及水流流動(dòng)造成影響，因此了解主河道的流速變化對(duì)于了解泥沙的淤積位置是至關(guān)重要的。本文所建立的模型主河道上下游流速變化見圖6，可以看出，主河道左岸的流速始終大于右岸的流速，上游流速大于下游流速，其流速呈倒S型曲線變化，7+40與7+60斷面即明渠進(jìn)口處的流速變化關(guān)系為：

y=10-5x3-0.020x+0.702 (7+40斷面)

y=10-5x3-0.009x+0.492 (7+60斷面)

圖4 明渠進(jìn)口平均流速橫向分布

圖5 明渠進(jìn)口平均流速垂向分布

圖6 主河道上下游流速變化

4 結(jié) 論

河道泥沙淤積已成為水環(huán)境治理關(guān)注的重點(diǎn)之一，本文通過建立室外模型試驗(yàn)?zāi)M原型無壩引水工程的水流運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)不同斷面不同坐標(biāo)位置處的水流流速進(jìn)行了觀測(cè)，主要得出以下結(jié)論：明渠進(jìn)口位置處的水流向下游的流速和垂向流速為0，在不同斷面處W方向的流速變化均較平穩(wěn)，明渠口中心位置的水流表現(xiàn)為上游水體向下流動(dòng)，流速逐漸減小，下游水體向上流動(dòng)流速逐漸增加，表現(xiàn)為相反的流動(dòng)現(xiàn)象，主河道位置處左岸的流速始終大于右岸的流速，上游流速大于下游流速，其流速呈倒S型曲線變化。

[1] 吉祖穩(wěn),胡春宏. 漫灘水流水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究[J]. 水利學(xué)報(bào),1998，29(9):1-7.

[2] 王睿禹. 沖沙模型試驗(yàn)中時(shí)間比尺變態(tài)問題的數(shù)值模擬研究[D].北京：清華大學(xué),2007.

[3] 李長(zhǎng)安,殷鴻福,俞立中. 長(zhǎng)江流域泥沙特點(diǎn)及對(duì)流域環(huán)境的潛在影響[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2000(4):504-509.

Experimental study on characteristics of flow field in open channel with trapezoidal compound cross section

DENG Zhaoyun

(ZhangshuWaterConservancyBureau,Yichun331200,China)

In this paper, the outdoor experimental model based on the prototype of water diversion work without dam for trapezoidal compound cross section was established by using the gravity similarity criterion. The difficult problem of carrying out experiment observation in water diversion work without dam was solved. And the flow velocity of the junction of main river channel and open channel, namely the open channel inlet, and the upstream and downstream of main river channel was three-dimensionally observed. The flow velocity changes at different locations of river cross section were discussed. The result can be considered as a theoretical reference for future sediment regulation of water diversion work without dam by changing the flow velocity.

water diversion work without dam; flow field; open channel inlet; gravity similarity criterion

鄧召云(1985-)，男，江西新干人，工程師，主要從事農(nóng)田水利施工管理技術(shù)研究。E-mail: dzyunedu@126.com。

S152.7

A

2096-0506(2017)10-0041-05