奚 望,陸偉剛,徐 波

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009)

位于三岔河口的水工建筑物進(jìn)水流態(tài)往往分布不均、水流紊亂,進(jìn)而影響總過(guò)流量和建筑物安全．針對(duì)明渠交匯口流態(tài)和水工建筑物的復(fù)雜進(jìn)水流態(tài),研究者進(jìn)行了大量研究: Zeng[1],Yuan[2]等研究總結(jié)了正交明渠水動(dòng)力場(chǎng)的流速、應(yīng)力、紊流動(dòng)能等水力數(shù)據(jù)及其分布情況,并得出部分進(jìn)流模式和明渠交匯流的一般規(guī)律;Luo[3],Huang[4],魏文禮[5]等研究了不同交匯角的明渠交匯區(qū)域的流態(tài)和自由液面變化,發(fā)現(xiàn)交匯角度越大,交匯口各特征橫斷面水流流速分布越不均勻;Weber[6]和茅澤育[7]等使用物理與數(shù)值模型相結(jié)合的方法分析等寬明渠交匯處的流動(dòng)特征,發(fā)現(xiàn)斷面環(huán)流是流量較大的交匯口水流三維流動(dòng)的重要特征;Cheng[8]和劉厚林[9]等對(duì)側(cè)向泵站進(jìn)水三岔口流態(tài)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向分離器可促使流速分布均勻,并對(duì)泵站流道提出優(yōu)化方案;王月華[10],嚴(yán)培[11]等采用三維模擬和物理模型研究彎道水流的優(yōu)化形式以減少?zèng)_刷,同時(shí)提出優(yōu)化的消能措施．以上研究對(duì)象均為人工河渠,但天然三岔河口復(fù)雜多變、無(wú)明顯交匯角,往往需要就實(shí)際情況進(jìn)行分析研究．本文以位于天然三岔河口的銅城閘為研究對(duì)象,利用明渠面層數(shù)字粒子圖像測(cè)速(digital particle image velocimetry,DPIV)系統(tǒng)和化學(xué)粒子示蹤法,對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁煌こ檀胧┫碌倪M(jìn)水流態(tài)進(jìn)行分析和比較,為改善天然三岔河口處的水閘進(jìn)水流態(tài)提供可借鑒的工程方案．

1 模型及數(shù)據(jù)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

圖1 銅城閘總體布置示意圖(a)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌?b)Fig.1 The overall layout of Tongcheng Gate (a) and the model picture (b)

1.2 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)通過(guò)流量計(jì)及閥門控制模型進(jìn)水流量,通過(guò)閘門和下游出水口疊梁式溢水板調(diào)節(jié)水位.當(dāng)流量、水位穩(wěn)定后采集流場(chǎng)數(shù)據(jù)．流量采用LDY-250S一體型電磁流量計(jì)(上海光華儀表有限公司)和直角三角堰互校測(cè)量;水位采用WYG-Ⅲ型無(wú)線測(cè)控智能水位儀(南京水利科學(xué)研究院研制)以及測(cè)壓管、標(biāo)尺互校測(cè)量;面層和底層流場(chǎng)分別采用DPIV表面流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)、化學(xué)粒子示蹤法進(jìn)行測(cè)量．

圖2 特征斷面位置示意圖Fig.2 Diagram of the section position

選取水位差最大的消能工況即銅城閘上游水位10.10 m,下游水位5.60 m,過(guò)流量560 m3·s-1時(shí)的進(jìn)水流態(tài)進(jìn)行分析．選取如圖2所示的3個(gè)特征斷面進(jìn)行流速分布分析,每個(gè)斷面設(shè)置50個(gè)等間距測(cè)點(diǎn)測(cè)定面層流速．

1.3 偏心度計(jì)算

為了對(duì)三岔口的流態(tài)進(jìn)行定量評(píng)價(jià),采用最大流速偏心度參數(shù)評(píng)價(jià)過(guò)流斷面上最大流速點(diǎn)與斷面中心的偏離程度．?dāng)嗝鎘上的最大流速偏心度f(wàn)k=2lk/l,式中l(wèi)為過(guò)流斷面寬度,m;lk為斷面k上流速峰值點(diǎn)至斷面中心點(diǎn)的距離,m,當(dāng)斷面流速峰值點(diǎn)不明顯時(shí),將2個(gè)臨近的較大流速位置的中點(diǎn)至斷面中心點(diǎn)的距離作為lk．

2 研究方案

圖3 銅城閘整流方案Fig.3 Rectification schemes of the Tongcheng Gate

為改善銅城閘進(jìn)水流態(tài),在銅城閘前分別增加導(dǎo)流墩、消力坎、梅花型消力墩、Y型導(dǎo)流墩、斜降魚(yú)嘴邊坡、拋石底坎、延長(zhǎng)翼墻的三岔處外伸段等工程措施進(jìn)行試驗(yàn)．通過(guò)對(duì)模型水流和流場(chǎng)圖的初步觀察,篩選出2種對(duì)銅城閘進(jìn)水流態(tài)具有明顯改善效果的改進(jìn)方案: 方案1,在銅城閘上游右側(cè)翼墻前延伸處增設(shè)斜降魚(yú)嘴邊坡,坡比為1∶3.5,邊坡與河堤夾角為30°,坡腳最遠(yuǎn)點(diǎn)深入河道0.5 m(實(shí)際工程30 m);方案2,在方案1基礎(chǔ)上增設(shè)拋石底坎,長(zhǎng)1.2 m,寬0.03 m,高0.01 m(實(shí)際工程長(zhǎng)72 m,寬1.8 m,高0.6 m)．具體的方案示意圖如圖3所示．本文就這2種工程措施在典型工況下的流場(chǎng)、流速分布進(jìn)行分析,進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性和流態(tài)改善效果．

3 結(jié)果分析

3.1 進(jìn)水流態(tài)分析

通過(guò)tecplot軟件分析數(shù)據(jù)得到不同研究方案下的流速云圖、流速矢量圖,以及化學(xué)粒子示蹤法顯示的底層流場(chǎng)情況,結(jié)果如圖4所示．由圖4(a)的流速云圖可見(jiàn),原方案中的后河流速較大,水流偏向河道中心右側(cè),進(jìn)入三汊河的分流偏向河道中心左側(cè)．流速矢量圖顯示銅城閘前流態(tài)紊亂且進(jìn)閘水流偏轉(zhuǎn)角較大,銅城閘右側(cè)流速矢量方向與閘墩中心線方向的最大偏角達(dá)35°,而進(jìn)水閘左側(cè)存在反向流速矢量,形成漩渦．從底層流場(chǎng)可見(jiàn),在銅城閘前翼墻段的進(jìn)流跡線與閘墩中心線方向的偏轉(zhuǎn)角較大,閘兩側(cè)均出現(xiàn)旋渦,且左側(cè)閘前旋渦更靠近閘室．上述流態(tài)的形成原因是三岔口河道向右呈弧形彎曲,而銅城閘前連接段較短,無(wú)法有效調(diào)整進(jìn)水流態(tài),因此閘右側(cè)進(jìn)流較快．同時(shí),三岔口的水流受離心力影響沖擊彎道外側(cè)堤岸,由于閘前右側(cè)河堤長(zhǎng)度較短,流入銅城閘的部分水流撞擊水閘右翼墻后不能及時(shí)調(diào)整流向,出現(xiàn)較大偏轉(zhuǎn)角,形成閘前流態(tài)紊亂．

圖4 不同方案下的銅城閘流速云圖、流速矢量圖和底層流場(chǎng)Fig.4 Flow rate cloud map,flow rate vector diagram and bottom layer flow field of Tongcheng Gate in different scheme

由圖4(b)的流速云圖可見(jiàn),在方案1中,后河主流的偏轉(zhuǎn)角度減小,三岔口處的流速分布較均勻;銅城閘右側(cè)進(jìn)水流速略大,但進(jìn)閘左、右兩側(cè)流速偏差與原方案相比減?。魉偈噶繄D顯示進(jìn)閘水流矢量與閘墩中心線方向的偏角也減小,其最大偏角減小至11°,而閘左側(cè)流速略小,仍有低速旋渦存在;進(jìn)入三汊河的分流,水流偏向河道中心左側(cè),流速略大．從底層流場(chǎng)可見(jiàn),銅城閘的進(jìn)流偏轉(zhuǎn)角很小,水流基本順直．由圖4(c)的流速云圖可見(jiàn),方案2中的后河水流沿流向在三岔口前偏向進(jìn)一步減小,進(jìn)入三汊河的分流偏心度減小．流速矢量圖顯示銅城閘進(jìn)流流向與閘墩中心線方向基本一致,最大進(jìn)流偏轉(zhuǎn)角僅為4°,水閘進(jìn)流平穩(wěn),進(jìn)入三汊河的分流略偏向河道中心左側(cè)．從底層流場(chǎng)圖可見(jiàn),銅城閘底層進(jìn)流順直．2種改進(jìn)方案對(duì)銅城閘進(jìn)水流態(tài)均有較好的改善效果,方案2與方案1相比,銅城閘進(jìn)水流態(tài)進(jìn)一步改善,方案2進(jìn)流偏心度較小,進(jìn)流更平順,進(jìn)入三汊河的分流對(duì)河道和河堤沖刷減?。?/p>

3.2 最大流速偏心度分析

最大流速偏心度可定量分析各斷面高流速區(qū)偏離河道中心的程度,量化水工建筑物進(jìn)水流態(tài)的優(yōu)劣．在順直河道中,河道中心流速最大,靠近岸邊的流速較小,斷面流速呈拋物線分布,此時(shí)fk=0,流態(tài)最佳；fk越接近1,說(shuō)明高流速區(qū)越偏離河道中心．表1為銅城閘各斷面的最大流速偏心度對(duì)比結(jié)果．由表1可知,原方案斷面2的偏心度高達(dá)0.72,高流速區(qū)偏離河道斷面中心較遠(yuǎn),說(shuō)明閘前流態(tài)紊亂,各孔過(guò)流量不均,斷面3偏心度達(dá)0.64,說(shuō)明其主流偏向河岸,對(duì)分岔處河岸沖刷嚴(yán)重．方案1、2中各斷面上的最大流速偏心度與原方案相比均減小,特別是方案2的最大流速偏心度減小更明顯．說(shuō)明研究方案使三岔口流態(tài)得以改善,對(duì)銅城閘前進(jìn)水流態(tài)和下游分流對(duì)河岸的沖刷現(xiàn)象均具有明顯改善效果．

表1 不同方案中各斷面的最大流速偏心度Tab.1 Maximum flow velocity eccentricity of each section in different schemes

3.3 特征斷面流速分析

利用tecplot軟件分析DPIV采集的數(shù)據(jù),得出3個(gè)特征斷面的流速分布圖,結(jié)果如圖5所示．由圖5(a)可見(jiàn),在原方案中,后河斷面1處流速較大,最大流速約為1.6 m3·s-1,主流沿流向偏河道中心右側(cè),這主要是受三岔口弧形河勢(shì)和分流流態(tài)的影響．閘前斷面2處的流速波動(dòng)較大,最大流速約為1.3 m3·s-1,進(jìn)閘水流速度分布不均,右側(cè)流速較大,這是由于閘前整流段較短,水流因慣性在撞擊三岔口右側(cè)河堤和翼墻后急劇改變流向造成的．三汊河斷面3處的最大流速約為0.9 m3·s-1,主流偏向河道中心左側(cè),沖擊外側(cè)堤岸,這主要是河勢(shì)和水流慣性造成的．總之,原方案中銅城閘進(jìn)水流態(tài)不平順,有待改善．

圖5 不同方案下的銅城閘各斷面流速圖Fig.5 Flow velocity map of each section of the Tongcheng Gate in different schemes

由圖5(b)可見(jiàn),方案1中,斷面1、2處的主流都在河道中間,最大流速約為1.3 m3·s-1;斷面3處最大流速約為1.2 m3·s-1,略偏向河道中心左側(cè),但最大流速偏心度減小,對(duì)河岸沖刷減小．說(shuō)明改進(jìn)方案1采用的斜降式魚(yú)嘴邊坡工程措施對(duì)銅城閘進(jìn)水流態(tài)改善具有一定效果．由圖5(c)可見(jiàn),方案2中,斷面1、2處的流速分布均合理,主流位于河道中心,最大流速分別約為1.7,1.4 m3·s-1,與方案1相比,水流的波動(dòng)減小,整流效果顯著;斷面3處的最大流速約為1.6 m3·s-1,水流略偏向河道中心左側(cè),但最大流速偏心度明顯減小,對(duì)河岸沖刷減小．這主要是因?yàn)槲挥诤拥婪植硖幍聂~(yú)嘴邊坡可以隨水位變化調(diào)整分流量,魚(yú)嘴邊坡也是銅城閘翼墻前的岸墻消力坎,它可以調(diào)整三岔口下游河道分流的流向和流態(tài)、改善水流慣性造成的不良流態(tài)．在斜降式魚(yú)嘴邊坡延長(zhǎng)的河底增加拋石底坎,可以進(jìn)一步改善下游河道流態(tài)和水流分布．綜上,采用斜降魚(yú)嘴邊坡或斜降魚(yú)嘴邊坡加拋石底坎的措施,都可以在一定程度上改善三岔口進(jìn)水流態(tài),最終的設(shè)計(jì)方案選擇還須結(jié)合工程投資、具體地形等實(shí)際情況綜合考慮．