李 紅 王文娥 胡笑濤 宋禹德 劉金良

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

節(jié)制閘是灌區(qū)渠系輸配水控制流量的特設(shè)水工建筑物，主要與分水閘配合調(diào)節(jié)和控制分水口水位及流量，對(duì)渠道輸配水及水流特性有重要影響[1-3]。我國(guó)北方灌區(qū)渠道底坡較緩，灌溉水流中泥沙含量較多，灌區(qū)分水口附近多數(shù)存在口門一側(cè)沖刷、一側(cè)泥沙淤積的問題，這不僅降低了渠道輸水能力，而且阻塞渠道，嚴(yán)重影響渠道正常運(yùn)行。其根本原因在于節(jié)制閘的調(diào)控與分水口分流，改變了順直明渠水流流動(dòng)方向與流速分布，引起水流結(jié)構(gòu)的急劇變化，形成漩渦、回流等，造成泥沙淤積。因此，為合理調(diào)控灌區(qū)水量，解決分水口泥沙沖淤問題，需對(duì)節(jié)制閘控制下分水口附近水動(dòng)力特性及其影響因素進(jìn)行探究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉流量的正常調(diào)控和渠道維護(hù)。

對(duì)明渠分流和匯流的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究開展較早：Taylor[4]于1944年對(duì)分水口水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)分流量取決于主渠分流口水力條件；Neary等[5]對(duì)直角分汊明渠水流結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，表層與底層流場(chǎng)差異較大，具有明顯的二次流現(xiàn)象和三維特征；現(xiàn)有研究[6-7]探討了明渠分流傅汝德數(shù)與分流比、收縮系數(shù)等之間的關(guān)系。曹繼文等[8]探究了分水口角度對(duì)側(cè)渠中回流區(qū)分布、口門斷面紊動(dòng)強(qiáng)度及局部水頭損失的影響[9]。劉海強(qiáng)等[10]分析了側(cè)渠底高對(duì)分水口處水力特性的影響，指出側(cè)渠進(jìn)口斷面最大流速和水深隨側(cè)渠底高的增大而逐漸減小。也有研究分析了分水流量與渠道水位的關(guān)系，表明分水流量的變化幅度對(duì)渠道水位變化速率影響較大[11-12]。渠道分水口水力特性不僅受到渠系結(jié)構(gòu)的影響，而且受到閘門調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響[2-3]，已有研究分別探究了不同的閘門調(diào)節(jié)系統(tǒng)和渠首流量下渠系水力特性的變化特征及閘門的調(diào)控效果，發(fā)現(xiàn)閘門調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)渠系水力特性的影響較大[11-12]。以上研究表明分水口結(jié)構(gòu)參數(shù)及節(jié)制閘調(diào)控直接影響分汊渠道水位、流量及水流結(jié)構(gòu)[12-13]。現(xiàn)有研究大多局限于節(jié)制閘調(diào)節(jié)或分水流量對(duì)渠道水位變化影響的單一研究，閘門開度對(duì)分水口處水力特性影響的研究較少。然而，渠系水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜且受到多種因素的影響[2,10]，分水口處流場(chǎng)分布更為復(fù)雜，盡管試驗(yàn)方法可以對(duì)斷面流速、水深進(jìn)行測(cè)定，但是耗時(shí)耗力且受外界環(huán)境因素的干擾可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生偏差。近年來，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)值模擬在渠道水流特性方面的研究得到了廣泛的應(yīng)用[8,10]，數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確的反映不同邊界條件下明渠水流的流場(chǎng)分布和水力特性。

本研究擬采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)梯形渠道節(jié)制閘不同開度下分水口水力特性進(jìn)行研究，分析節(jié)制閘開度(簡(jiǎn)稱閘門開度e)對(duì)主渠道與側(cè)渠道水位、流速的影響，明確分水口處水流變化規(guī)律，以期為灌區(qū)節(jié)制閘調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)與模型設(shè)置

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)于西北農(nóng)林科技大學(xué)灌溉實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)由蓄水池、泵、梯形渠道(主渠)、矩形渠道(支渠)、節(jié)制閘及直角三角形薄壁堰(2個(gè))和回水渠道構(gòu)成。節(jié)制閘為矩形平板閘門，寬30 cm，與梯形主渠底寬相同，閘門兩側(cè)與渠道側(cè)壁之間使用兩塊三角形木板封閉。圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置。

試驗(yàn)主渠道為梯形渠道，長(zhǎng)30 m，底寬0.3 m，深0.6 m，邊坡系數(shù)m=1.0，底坡為1/2 000。在距主渠渠首20 m處連接一矩形分水渠(側(cè)渠)，長(zhǎng)為7 m，寬和深為0.6 m，主渠與側(cè)渠成90°夾角。主、側(cè)渠道的糙率系數(shù)均為0.011。節(jié)制閘距離分水口下游端4 m。主渠道共設(shè)8個(gè)斷面(Ⅰ，Ⅱ，…，Ⅷ)，其中斷面Ⅰ位于分水口上游40 cm(表1)，由于分水口的作用，水流流線內(nèi)側(cè)低于外側(cè)，為了詳細(xì)分析分水口處水深變化規(guī)律，在分水口處共設(shè)置4個(gè)斷面，即斷面Ⅲ，Ⅳ，…，Ⅵ，各斷面間距離相等為20 cm，每個(gè)斷面均勻布設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)。距離分水口上、下游20 cm處布設(shè)Ⅱ、Ⅶ斷面，每個(gè)斷面均勻布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)；在分支渠道下游水深穩(wěn)定處布設(shè)斷面Ⅸ，共9個(gè)測(cè)量斷面37個(gè)測(cè)點(diǎn)，斷面和測(cè)點(diǎn)的具體布置見圖1。

表1 試驗(yàn)各斷面位置及水深測(cè)點(diǎn)數(shù)Table 1 Test the position of each section and the number of water depth measurement points

直角三角薄壁堰流量采用公式Q=1.343H2.47計(jì)算，其中H為堰上水頭，m；采用SCM60型水位測(cè)針測(cè)定水深，精度為±0.1 mm。

試驗(yàn)主渠來流量為15.3 L/s，對(duì)應(yīng)閘門開度為0、1、3、5、7、9、10 cm。

A-A和B-B分別為分水口處橫剖面和梯形主渠橫剖面。Q為主渠來流量，Q1為梯形支渠分流量,Q2為分水渠流量。A-A and B-B section are respectively the cross-section of diversion and main channel cross-section.Q is the main channel flow,Q1 is trapezoidal branch diversion flow,and Q2 divide channel flow.圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)及斷面測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of the test system and section measurement points

1.2 數(shù)值模擬模型設(shè)置

1.2.1控制方程

不同閘門開度條件下分水口水流流場(chǎng)數(shù)值模擬的控制方程包括連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程[2,10]。渠道內(nèi)水流雷諾數(shù)大于2×105，為湍流。由于分水口處水流流線急劇彎曲，適宜采用RNGk-ε湍流模型，控制方程、湍動(dòng)能k和耗散率ε的方程如下。

連續(xù)方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

式中：ρ為流體密度，取1 000 kg/m3；t為流動(dòng)時(shí)間，s；μi、μj分別為流速矢量在xi、xj方向的分量i=1,2,3；j=1,2,3)，m/s；p為流體壓強(qiáng)，Pa；fi為流體所受的質(zhì)量力，m/s2。

k方程：

ε方程：

控制方程采用模擬軟件Flow-3D求解，自由液面采用TruVOF方法追蹤。流項(xiàng)采取二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采取二階中心差分格式，設(shè)置最小步長(zhǎng)為 10-6s。

1.2.2網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)置

利用建模軟件對(duì)渠系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，主、側(cè)渠斷面形狀及尺寸與試驗(yàn)渠道相同(圖1(b))，主渠長(zhǎng)30 m、側(cè)渠長(zhǎng)7 m，數(shù)值模擬區(qū)域坐標(biāo)原點(diǎn)選在側(cè)渠進(jìn)水口渠底(圖1(b)中O點(diǎn))，X方向?yàn)橹髑鞣较?，Y方向?yàn)閭?cè)渠主水流方向，Z方向?yàn)檠厮罘较?。由于分水口附近流?chǎng)變化復(fù)雜，分水口附近網(wǎng)格加密，單元格長(zhǎng)度為 0.01 m，其他區(qū)域單元網(wǎng)格為0.02 m，網(wǎng)格總量約為180萬(wàn)。模型中主渠進(jìn)口邊界設(shè)定為流量進(jìn)口，進(jìn)口流量分別設(shè)置為 15.3、20.0、25.0、30.0 L/s，每個(gè)流量對(duì)應(yīng)閘門開度分別為0、3、5、7、9、10、11 cm；主渠下游出口和側(cè)渠末端出口設(shè)為自由出流；渠道邊壁及底部選擇無滑移固壁邊壁(wall)；自由水面以上為空氣，相對(duì)壓強(qiáng)為0。粗糙系數(shù)與實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)相同，取0.011。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬的可靠性，將實(shí)測(cè)水深與模型模擬的水深進(jìn)行對(duì)比分析。選取與試驗(yàn)相同測(cè)點(diǎn)處的水深進(jìn)行對(duì)比。圖2示出主渠來流量為15.3 L/s,節(jié)制閘關(guān)閉(開度為0 cm)時(shí)分水口附近 Ⅰ，Ⅱ，…，Ⅷ 斷面36個(gè)測(cè)點(diǎn)的水深實(shí)測(cè)值和模擬值分析結(jié)果，同時(shí)采用決定系數(shù)R2、納什系數(shù)NSE和均方根誤差RMSE 3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型模擬的準(zhǔn)確性?？梢姡M值與實(shí)測(cè)值吻合較好，模擬值與實(shí)測(cè)值的R2、NSE和RMSE分別為0.898、0.687和0.361，表明模型模擬效果較好，利用FLOW-3D可對(duì)渠道分水口處水力特性進(jìn)行模擬。

圖2 主渠道斷面各測(cè)點(diǎn)水深模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.2 Comparison of simulated and measured water depth at each measuring point of the main channel section

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1水面線

3種來流量(Q=20.0、25.0、30.0 L/s)和5種閘門開度下主渠道分水口處沿程水深變化和節(jié)制閘前后沿程水深變化規(guī)律見圖3和圖4。

圖3 3種來流量(Q)不同閘門開度(e)下主渠道分水口處沿程水深變化規(guī)律Fig.3 Changes rule of water depth at the main channel the diversion at 3 kinds of flow (Q)and different gate opening (e)

圖4 3種來流量(Q)不同閘門開度(e)下節(jié)制閘前后沿程水深變化規(guī)律Fig.4 Changes rule of water depth along the front and back of the control gate at 3 kinds of flow (Q)and different gate opening (e)

不同主渠來流量和閘門開度下，梯形主渠靠近分水口處水深變化規(guī)律基本一致(圖3)?？傮w來看，水深沿主渠道方向呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢(shì)；水深最小值的位置在分水口上游段處，最大值的位置在分水口下游段處，且最大值位置點(diǎn)保持不變。這是由于一部分水流進(jìn)入側(cè)渠使靠近分水口上游段水位下降，另一部分水流由于擴(kuò)散而產(chǎn)生橫向流速，受到下游閘門阻力的影響，產(chǎn)生回流，使分水口下游端水位壅高。

由圖4可知，不同主渠來流量下，節(jié)制閘前水面較為平穩(wěn)。同一主渠來流量下，閘門開度為0、3、5、7和9 cm時(shí)閘前水位小幅度上升，水流從閘門底部流出，流速較大形成收縮斷面且收縮斷面隨閘門開度增大向下游推移；當(dāng)來流量為20.0、25.0、30.0 L/s對(duì)應(yīng)閘門開度e為10、11、12 cm時(shí)，閘前和閘后水深基本保持不變，已達(dá)到堰流特征；不同來流量下閘門開度變化時(shí)，水流會(huì)呈現(xiàn)堰流和閘孔出流交替出現(xiàn)的現(xiàn)象。當(dāng)來流量在20～30 L/s變化時(shí)，閘孔出流和堰流的臨界值出現(xiàn)在閘門開度為9～12 cm，相對(duì)閘門開度e/h(閘門開度與閘前穩(wěn)定水深之比)變化為0.78～0.81。理論上，當(dāng)閘底坎為平底時(shí)，e/h>0.65為堰流，e/h≤0.65為閘孔出流[16]，但張敬樓[17]、邱勇等[18]、袁新明等[19]認(rèn)為其值未考慮閘門形式與布置、主渠來流條件及上下游水位和閘后水流流態(tài)等，且2種水流狀態(tài)的變換分界值并不是一個(gè)固定的值，而是有著一定變化范圍的數(shù)值[20]。由于本研究水流受閘門兩側(cè)木板引起的水流突然收縮的影響，使閘前自由水面不是水平面，靠近閘門中間位置水面最低，兩側(cè)水面逐漸升高。圖5給出了主渠來流量Q為25 L/s、閘門開度分別為10 cm(閘孔出流)和11 cm(堰流)時(shí)，節(jié)制閘上游50 cm范圍自由水面形狀。由于閘門上游兩側(cè)水面高于中間位置，當(dāng)e/h>0.65時(shí)，閘門中間位置水流已經(jīng)脫離閘門下緣，但兩側(cè)還受閘門限制，需增加閘門開度才能完全的形成閘孔出流，使得臨界相對(duì)閘門開度值大于理論值。

圖5 來流量為25 L/s時(shí)2種閘門開度(e)下節(jié)制閘上游50 cm范圍自由水面形狀Fig.5 Shape of the free water surface in the range of 50 cm upstream of the gate controlled under the two gate opening (e)degrees at the flow speed of 25 L/s

2.2.2閘門開度對(duì)主渠道斷面流速分布的影響

由于主渠水流流經(jīng)分水口時(shí)會(huì)發(fā)生分流，導(dǎo)致其附近斷面流速分布也發(fā)生變化，而且節(jié)制閘在不同開度下對(duì)斷面水流流速也有著一定的影響。當(dāng)閘門開度超過臨界開度后，主渠水流已全部脫離節(jié)制閘控制，形成堰流。為更好地分析閘孔出流下主渠各斷面下三維流速的變化，本研究通過模型模擬了不同閘門開度下各斷面流速變化特征。

圖6示出同一流量，不同閘門開度情況下，主渠各斷面垂線平均流速(垂線平均流速采用兩點(diǎn)法計(jì)算)分布圖，其中包括垂線縱向平均流速u(沿主渠X方向)、垂線橫向平均流速v(垂直于主渠X方向)、垂線垂向平均流速w(垂直于渠道方向)，為簡(jiǎn)化描述，在后文中統(tǒng)一采用縱向流速、橫向流速和垂向流速替換?？芍?，隨著開度增大，縱向流速平面分布逐漸恢復(fù)成對(duì)數(shù)型。具體分析如下：隨著閘門開度增大，主渠水流受到阻力減小，流速分布干擾也逐漸減小。靠近分水口上游端斷面Ⅱ和斷面Ⅲ的橫向流速高于斷面Ⅰ，而閘門使主渠水流壅水，部分水流產(chǎn)生回流現(xiàn)象，致使斷面Ⅵ靠近右岸的橫向流速高于斷面Ⅴ。由于主渠中水流經(jīng)過分水口時(shí)受慣性和分水口處離心力的作用，使水流在主渠和側(cè)渠產(chǎn)生流動(dòng)分離現(xiàn)象，所以，分水口處橫向流速變化較大。由圖6中縱、橫向流速可知，分水口處下游縱向流速減小，而橫向流速驟然增加，是由于主渠中部分水流流向側(cè)渠所致，使該區(qū)域水量的動(dòng)量交換頻繁，受擾動(dòng)更加強(qiáng)烈。分水口上游端斷面Ⅲ的橫向流速呈先增大后減小的趨勢(shì)由于受側(cè)渠邊壁的阻礙作用；靠近分水口處，斷面Ⅲ的橫向流速小于斷面Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ。由垂向流速分布可知，不同閘門開度下分水口處垂向流速變化較大，隨著閘門開度的增大，靠近分水口處斷面Ⅵ的流速越大，遠(yuǎn)離分水口處斷面Ⅰ和斷面Ⅱ趨于穩(wěn)定。由于分水口垂向流速的分布，上下層流速均參與分流，且越靠近分水口垂向流速越大，分流現(xiàn)象越明顯。

Y方向?yàn)橐詡?cè)渠進(jìn)水口渠底為原點(diǎn)的側(cè)渠主水流方向，圖7同。Y direction is the side channel flow direction from the bottom of the side channel as the origin,Fig.7 below is the same.圖6 來流量為30 L/s時(shí)不同閘門開度(e)下主渠各斷面垂線平均流速分布Fig.6 Vertical average velocity distribution of each section of different gate openings (e)at flow speed of 30 L/s

2.2.3閘門開度對(duì)分水口區(qū)域流速分布影響

本研究以梯形渠道為主渠道，分析了不同來流量和閘門開度下側(cè)渠進(jìn)水口處水流流速變化規(guī)律。相比矩形渠道，梯形渠道的水流流速在分水口附近變化更加復(fù)雜，因此，針對(duì)梯形主渠與矩形側(cè)渠相接的分水口區(qū)域流速分布規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析。

圖7示出來流量為30 L/s時(shí)不同閘門開度下分水口區(qū)域表層和底層流速分布可知，流速峰值隨著閘門開度的增大而增大，流速最小值越靠近中心位置，且表層流速大于底層流速。主流區(qū)向側(cè)渠下游右岸偏移，在側(cè)渠靠近左岸流速降低，形成不穩(wěn)定漩渦和回流，在渠道實(shí)際運(yùn)行中對(duì)泥沙淤積的位置產(chǎn)生影響。由于分水口的影響，水流進(jìn)入側(cè)渠時(shí)受離心力的作用，使水流在分水口上唇段與左壁分離，產(chǎn)生回流，主流區(qū)偏向側(cè)渠右壁、沖擊右壁，在渠道側(cè)壁的作用下流速大小及方向發(fā)生改變。其他來流量下該區(qū)域流速變化規(guī)律相似。

h1為分水口處水深 h1 is the water depth of the diversion圖7 來流量為30 L/s時(shí)不同閘門開度(e)下分水口區(qū)域表層及底層流速分布Fig.7 Velocity distribution of surface and bottom of the diversion area of different gate openings (e)at flow is 30 L/s

3 結(jié) 論

節(jié)制閘是渠道中主要的控水建筑物，渠道中水流受節(jié)制閘調(diào)控而產(chǎn)生水力擾動(dòng)，其中分水口處水流變化最為劇烈。本研究通過實(shí)測(cè)試驗(yàn)并結(jié)合FLOW-3D模擬軟件對(duì)多種組合工況進(jìn)行計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

1)梯形主渠分水口處沿程水深變化規(guī)律基本一致，整體變化趨勢(shì)為先降低后升高再降低。當(dāng)來流量為20～30 L/s時(shí)，閘孔出流和堰流的臨界值出現(xiàn)在閘門開度為9～12 cm，相對(duì)開度為0.78～0.81，即堰流和閘孔出流的分界并非一個(gè)定值，受渠道形狀、閘墩形狀、流量等因素影響。

2)隨著閘門開度增大，主渠水流受到阻力減小，流速分布干擾也逐漸減小，縱向流速平面分布逐漸恢復(fù)成對(duì)數(shù)型分布；由于分水口分流的作用，分水口區(qū)域橫向流速較縱向流速和垂向流速變化劇烈。

3)分水口區(qū)域表層流速變化大于底層流速，隨著閘門開度的增大，在越靠近分水口中心的區(qū)域流速值越小，該區(qū)域易形成漩渦與回流區(qū)。