程 勇,王文娥,胡明宇,凌 剛,胡笑濤

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

灌區(qū)輸配水多采用主渠與支渠軸線(xiàn)垂直布置,具有占地面積小、渠系建筑物結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),但灌區(qū)運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn),分水口附近區(qū)域出現(xiàn)沖刷、淤積及結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象[1- 2],原因是渠道側(cè)向分流形成彎道水流,環(huán)流及螺旋流等流速急劇變化引起水流結(jié)構(gòu)紊亂,導(dǎo)致局部泥沙淤積和沖刷現(xiàn)象,也造成分水口兩側(cè)受力不平衡,影響渠道正常運(yùn)行及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。水流紊動(dòng)是影響泥沙運(yùn)移和邊壁侵蝕與崩塌的主要因素[3- 4],因此研究分水口區(qū)域水流紊動(dòng)特性對(duì)渠系規(guī)劃設(shè)計(jì)及穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

天然河道水流紊動(dòng)特性與沖刷關(guān)系研究較多,學(xué)者們通過(guò)原型測(cè)量、物理模型和數(shù)值模擬等方法對(duì)河道水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[5- 7]。河道形態(tài)是影響水流結(jié)構(gòu)的重要因素,常見(jiàn)的有順直型、彎曲型等。對(duì)順直型河道研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)流寬度的束窄、擴(kuò)散直接影響床面形態(tài)變化及泥沙顆粒運(yùn)移和沉積[8]；來(lái)流量與水流分離區(qū)長(zhǎng)度呈正相關(guān)、床面剪切應(yīng)力最大值出現(xiàn)在收縮段入口區(qū)域[9]；擴(kuò)散段側(cè)壁侵蝕嚴(yán)重,易引起河道拓寬[10]；環(huán)流強(qiáng)度分布規(guī)律與渦旋發(fā)展密切相關(guān),河床阻力會(huì)加快近床區(qū)域渦旋的消散[11]。對(duì)彎曲型河道研究發(fā)現(xiàn)，彎道環(huán)流是泥沙顆粒橫向運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?環(huán)流的發(fā)展和形式與彎曲率密切相關(guān),環(huán)流區(qū)域內(nèi)部紊動(dòng)強(qiáng)度較小[12- 13]；近壁區(qū)流速變化直接影響河岸侵蝕速率[14],紊流運(yùn)動(dòng)和渦旋對(duì)局部沖刷有影響[15]。這些研究表明環(huán)流強(qiáng)度、紊動(dòng)強(qiáng)度、紊動(dòng)能和剪切應(yīng)力等因素與河道沖刷關(guān)系密切。灌區(qū)渠系分水口附近水流結(jié)構(gòu)對(duì)渠道沖刷研究成果較少,尚需進(jìn)一步研究。

河道穩(wěn)定的多泥沙河流分流處,支流與主河道軸線(xiàn)夾角多小于45°,著名的都江堰水利工程分流處內(nèi)江與外江夾角約為30°,本文以30°分水角明渠為研究對(duì)象,探索分水口附近水流紊動(dòng)特性,可為灌區(qū)渠道設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 水槽系統(tǒng)

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)系統(tǒng)由供水系統(tǒng)、變坡升降系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能控制終端、試驗(yàn)水槽和回水系統(tǒng)組成。其中，供水系統(tǒng)包括變頻柜、變頻水泵、電磁流量計(jì)等,可以根據(jù)設(shè)定目標(biāo)流量自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器頻率,精準(zhǔn)控制渠道流量。變坡升降系統(tǒng)由伸縮液壓缸、儲(chǔ)油槽、升降器等組成,渠道坡度調(diào)節(jié)控制精度±0.1 mm。試驗(yàn)水槽布置如圖1所示,主渠道長(zhǎng)1 800 cm,寬80 cm,深50 cm；側(cè)渠道長(zhǎng)500 cm,寬40 cm,深35 cm,均為矩形渠道；側(cè)渠底部高程高于主渠底部高程,形成堰坎,高為6 cm；主渠道與側(cè)渠道中軸線(xiàn)夾角為30°,主渠道與側(cè)渠道坡降均為0.000 5。將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在主渠道進(jìn)水口底部,x方向?yàn)橹髑鞣较?縱向),y方向?yàn)榇怪敝髑鞣较?橫向),z方向垂直向上(垂向)。

1.2 試驗(yàn)方案

灌區(qū)相似寬度的分水渠道的分流比約為0.3[16],本試驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)主渠道末端尾門(mén)開(kāi)度控制側(cè)渠道分流量,分流比為0.3。試驗(yàn)設(shè)置4種工況,主渠道來(lái)流量(Q)分別為20 L/s、30 L/s、40 L/s、50 L/s。

主渠道共設(shè)置21個(gè)水深測(cè)量斷面(圖1(a)斷面01—斷面21),其中，分水口上下唇之間的主渠道設(shè)置9個(gè)測(cè)量斷面(斷面07—斷面15),斷面間距10 cm；分水口上下游各設(shè)置6個(gè)斷面,斷面間距20 cm。每個(gè)斷面設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn),分別在靠近分水口側(cè)3 cm處(a線(xiàn))、距主渠左岸3 cm處(b線(xiàn))。

流速斷面設(shè)置與水深測(cè)量斷面一致。每個(gè)斷面布設(shè)11條垂線(xiàn)(圖1(b)垂線(xiàn)Ⅰ—垂線(xiàn)Ⅺ),其中,靠近口門(mén)一側(cè)垂線(xiàn)間距5 cm,其余垂線(xiàn)間距10 cm。每條垂線(xiàn)上選擇7個(gè)0.5 cm間距的測(cè)點(diǎn)(近底區(qū)域),其余測(cè)點(diǎn)間距1 cm(最上面的測(cè)點(diǎn)位置根據(jù)水深調(diào)整)。

水深(H)使用SCM60型水位測(cè)針測(cè)量,精度± 0.1 mm。三維流速采用聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀(ADV)測(cè)量,采樣空間距離下視探頭5 cm,探頭對(duì)水流的影響較小,水面下5 cm和近側(cè)壁3 cm內(nèi)為不可測(cè)區(qū)域。利用ADV流速測(cè)量頻率選擇100 Hz,采樣時(shí)間為60 s,每個(gè)測(cè)點(diǎn)可以得到6 000對(duì)瞬時(shí)流速值。為了降低探頭移動(dòng)對(duì)瞬時(shí)流速產(chǎn)生的影響，提高采樣數(shù)據(jù)可靠性,對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩分處理,選取滿(mǎn)足平均信噪比大于15、相關(guān)系數(shù)大于85%的值。同時(shí),由于外部環(huán)境影響,水流中可能出現(xiàn)氣泡、雜質(zhì)等,在時(shí)間序列中表現(xiàn)為毛刺,利用速度閾值法換掉不在閾值內(nèi)的數(shù)據(jù),最終篩選出用于分析計(jì)算的數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)布置Fig.1 Layout plan

2 結(jié)果分析

2.1 分水口區(qū)域水深沿程變化

圖2給出了4種主渠道來(lái)流量下水深沿程分布。由圖2可知,分水口區(qū)域a處水深變化較大:當(dāng)水流靠近口門(mén)斷面上唇時(shí),在側(cè)向離心力作用下流線(xiàn)方向發(fā)生突變,水流流速變大,動(dòng)能隨之增加,此時(shí)水流勢(shì)能減小,水深迅速減小,在斷面07處產(chǎn)生最小值,之后隨著主渠流量減少,水流動(dòng)能減小,勢(shì)能逐漸增加,分水口處開(kāi)始緩慢壅水,在斷面15處產(chǎn)生最大值。對(duì)比4種工況可知,主渠來(lái)流量為20～50 L/s時(shí),分水口區(qū)域水深沿程變化規(guī)律基本一致,本文以來(lái)流量40 L/s為例,設(shè)距分水口120 cm處斷面01、口門(mén)上唇斷面07、中間斷面11、下唇斷面15為典型斷面,對(duì)分水口區(qū)域環(huán)流強(qiáng)度及紊動(dòng)特性進(jìn)行分析。

圖2 主渠道水深沿程變化Fig.2 Water surface change map in the main channel

2.2 時(shí)均流速分布規(guī)律

2.2.1 縱向流速與橫向流速

圖3 典型斷面垂線(xiàn)Ⅰ、Ⅳ、Ⅷ、Ⅺ流速分布Fig.3 Velocity distribution of typical section vertical lines Ⅰ、Ⅳ、Ⅷ and Ⅺ

主渠道縱向流速可以反映主要流動(dòng)趨勢(shì),圖3(a)給出了典型斷面上4條特征垂線(xiàn)的縱向流速(u)分布,垂線(xiàn)分別為靠近分水口側(cè)的垂線(xiàn)Ⅰ和Ⅳ、斷面中間的垂線(xiàn)Ⅷ、遠(yuǎn)離分水口側(cè)的垂線(xiàn)Ⅺ(z為測(cè)點(diǎn)距主渠道底部的距離)。從圖3(a)中可以看出,各斷面縱向流速基本符合對(duì)數(shù)型,流速大小存在明顯差異及沿程變化。由于分水口分流,在口門(mén)附近主渠流量減小,斷面15的流速明顯小于其他各斷面。斷面01在分水口上游較遠(yuǎn)位置(大于8倍水深)處,縱向流速主要受渠底及兩側(cè)邊壁影響,中軸線(xiàn)區(qū)域流速明顯大于近壁區(qū)流速,在主流區(qū)域出現(xiàn)聚中現(xiàn)象；分水口處各斷面縱向流速最小值多位于近底層,低于0.4倍水深流速變化較大,這是因?yàn)楦哂趥?cè)渠底部高程水流所受邊界條件發(fā)生突變,上層水體對(duì)下層水體產(chǎn)生較大擾動(dòng),近底區(qū)域水流縱向流速變化明顯。

主渠道橫向流速能夠更好地看出分水口分流對(duì)流速方向的改變,圖3(b)給出了典型斷面上4條特征垂線(xiàn)的橫向流速(v)分布。從圖3(b)中可以看出,斷面01上橫向流速較小且分布均勻,這是因?yàn)榇颂幩鬟h(yuǎn)離分水口,流線(xiàn)分布與順直明渠類(lèi)似。由于口門(mén)附近邊界條件變化較大,此處水流流向沿口門(mén)斷面變化明顯,其中,口門(mén)上下唇作為分流的起點(diǎn)和終點(diǎn),流向變化明顯大于其他部分?？拷炙谔幐鲾嗝娲咕€(xiàn)Ⅰ上橫向流速變化較大,基本符合指數(shù)型,上層水流橫向流速明顯大于下層,結(jié)合圖2可知,此處水流參與分水,水面波動(dòng)較大,流速大小和方向均發(fā)生明顯變化。隨著垂線(xiàn)遠(yuǎn)離分水口,橫向流速分布逐漸均勻,在靠近主渠邊壁處,各斷面橫向流速趨于重合。

對(duì)比圖3(a)和圖3(b)發(fā)現(xiàn),分水角為30°時(shí),主渠道分水口處垂線(xiàn)縱向流速分布規(guī)律較為統(tǒng)一；橫向流速分布規(guī)律較為多變,流速值沿渠寬方向變化較大。結(jié)合彎道水流結(jié)構(gòu)可知,橫向流速變化是過(guò)流斷面環(huán)流形成的主因,分水口處橫向流速大幅度改變亦會(huì)形成環(huán)流,從而對(duì)泥沙顆粒的輸移及邊壁的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

2.2.2 環(huán)流強(qiáng)度

明渠分水口處流速變化劇烈,存在明顯的高流速區(qū)和低流速區(qū),易產(chǎn)生類(lèi)似天然河床的橫向變形。環(huán)流強(qiáng)度是反映渠道沖刷和淤積趨勢(shì)的重要指標(biāo),可以用絕對(duì)強(qiáng)度、相對(duì)強(qiáng)度以及旋度來(lái)表示[17]。本文以環(huán)流旋度(C,橫向分速與縱向分速的比值)來(lái)衡量環(huán)流強(qiáng)度大小,圖4給出了主渠道典型斷面環(huán)流旋度等值線(xiàn)分布,B為主渠道寬度。

圖4 主渠道典型斷面環(huán)流旋度分布Fig.4 Circulation curl distribution of typical sections in the main channel

圖5 垂線(xiàn)平均環(huán)流旋度分布Fig.5 Circulation curl distribution of typical sections

由圖4可知,斷面01的環(huán)流旋度明顯小于分水口處各斷面,環(huán)流不易產(chǎn)生。主渠道分水口區(qū)域環(huán)流旋度分層較為明顯,靠近口門(mén)處環(huán)流旋度明顯大于遠(yuǎn)離口門(mén)處,這是因?yàn)樵搮^(qū)域水流受側(cè)向離心力影響較大,流線(xiàn)發(fā)生明顯改變,流速沿y方向變化較大。天然河道或多泥沙水源中主渠道分水口區(qū)域含有大量泥沙,而環(huán)流是引起泥沙顆粒橫向運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?在環(huán)流作用下,靠近口門(mén)處泥沙向另一側(cè)發(fā)生轉(zhuǎn)移會(huì)形成明顯的沖刷、淤積效果。對(duì)于30°分水角明渠,水流剛到分水口時(shí),環(huán)流強(qiáng)度分布雖層次明顯但值不大,此處環(huán)流并未完全發(fā)展,將不會(huì)產(chǎn)生明顯的沖淤現(xiàn)象；隨著水流流動(dòng),環(huán)流強(qiáng)度逐漸增大,環(huán)流充分發(fā)展,斷面15上環(huán)流旋度梯度沿渠寬方向變化最大,泥沙顆粒橫向移動(dòng)范圍較大,將會(huì)引起較明顯的沖淤現(xiàn)象。

結(jié)合已有直角分水口研究[18],圖5給出了2種分水角度下各斷面垂線(xiàn)平均環(huán)流旋度分布。由圖5可知,各斷面垂線(xiàn)平均環(huán)流旋度在靠近口門(mén)側(cè)出現(xiàn)最大值,隨著垂線(xiàn)遠(yuǎn)離口門(mén),環(huán)流旋度值逐漸減小,在靠近主渠邊壁處趨于重合。分水角為90°時(shí),環(huán)流在主渠道分水口經(jīng)歷了增強(qiáng)、減弱2個(gè)階段,中間區(qū)域環(huán)流現(xiàn)象明顯；分水角為30°時(shí),主渠水流從分水口進(jìn)口端流向中間區(qū)域時(shí),環(huán)流充分發(fā)展并持續(xù)到出口端。灌區(qū)渠系中含有大量泥沙,分水口處橫向環(huán)流存在時(shí),上層水體中較細(xì)的懸移質(zhì)泥沙顆粒易被帶入側(cè)渠道,床沙顆粒在近底水流作用下逐漸遠(yuǎn)離口門(mén)。綜上所述,與直角分水口相比,30°分水口處環(huán)流強(qiáng)度較大,環(huán)流效應(yīng)相對(duì)明顯,橫向環(huán)流與縱向水流疊加形成的螺旋流影響范圍較大,較多的泥沙顆粒隨水流流向主渠下游,側(cè)渠道輸沙量相對(duì)較少,與Alomari等[19]研究結(jié)果一致。

2.3 脈動(dòng)流速分布規(guī)律

2.3.1 紊動(dòng)強(qiáng)度

紊動(dòng)強(qiáng)度是水流紊動(dòng)性能的基本參數(shù),代表瞬時(shí)流速的波動(dòng)幅度,常用脈動(dòng)流速的均方根表示:

(1)

式中:σu、σv、σw分別為縱向、橫向、垂向的紊動(dòng)強(qiáng)度,cm/s；ui、vi、wi分別為縱向、橫向、垂向的瞬時(shí)流速,cm/s；ˉu、ˉv、ˉw分別為縱向、橫向、垂向的時(shí)均流速,cm/s；N為樣本數(shù)量。

圖6為各典型斷面上垂線(xiàn)Ⅰ、Ⅳ、Ⅷ、Ⅺ的紊動(dòng)強(qiáng)度分布圖。由圖6可知,遠(yuǎn)離分水口處主渠水流紊動(dòng)強(qiáng)度分布表現(xiàn)為核心區(qū)域小、邊壁區(qū)域大；近壁水流流動(dòng)時(shí)受壁面切應(yīng)力影響較大,產(chǎn)生較大流速梯度,紊動(dòng)強(qiáng)度大；遠(yuǎn)離邊壁區(qū)域水流受黏滯力影響較大,紊動(dòng)被抑制,越靠近中軸線(xiàn)區(qū)域紊動(dòng)強(qiáng)度越??；分水口處縱向和橫向紊動(dòng)強(qiáng)度明顯大于垂向紊動(dòng)強(qiáng)度；各斷面垂線(xiàn)上縱向和垂向紊動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律類(lèi)似,沿水深方向分布均勻,無(wú)明顯最大值點(diǎn)(斷面07除外)；橫向紊動(dòng)強(qiáng)度沿水深方向變化較多,分布較為紊亂。對(duì)比圖6各分圖發(fā)現(xiàn),斷面07、斷面15作為分水的起點(diǎn)和終點(diǎn),紊動(dòng)強(qiáng)度值和分布規(guī)律變化較大。圖7給出了這2個(gè)斷面上垂線(xiàn)平均紊動(dòng)強(qiáng)度分布，其中σj(j=u、v、w)為3個(gè)方向的紊動(dòng)強(qiáng)度。

由圖7可知,斷面15上各方向垂線(xiàn)平均紊動(dòng)強(qiáng)度沿渠寬方向變化規(guī)律一致,最大值出現(xiàn)在靠近口門(mén)下唇處,隨著垂線(xiàn)遠(yuǎn)離口門(mén),平均紊動(dòng)強(qiáng)度迅速減小,在0.2B之后基本保持不變。斷面07上縱向、垂向垂線(xiàn)平均紊動(dòng)強(qiáng)度分布規(guī)律類(lèi)似,靠近口門(mén)區(qū)域出現(xiàn)2次極大值；橫向垂線(xiàn)平均紊動(dòng)強(qiáng)度沿渠寬方向波動(dòng)不大,最大值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離口門(mén)側(cè)。這是因?yàn)橹髑髁鹘?jīng)分水口時(shí),口門(mén)側(cè)低于側(cè)渠底部高程水流參與分水,與主渠邊壁發(fā)生激烈碰撞,流速大小、方向變化較大,易形成不同尺度的漩渦,在二次流作用下,小尺度漩渦不斷旋轉(zhuǎn)、疊加,造成靠近口門(mén)側(cè)水流紊動(dòng)強(qiáng)度變化劇烈且分布無(wú)規(guī)律。

圖6 典型斷面各垂線(xiàn)紊動(dòng)強(qiáng)度分布Fig.6 Turbulent intensity distribution of typical sections

圖7 斷面07、斷面15的垂線(xiàn)平均紊動(dòng)強(qiáng)度分布Fig.7 Average turbulent intensity distribution of vertical lines in sections 07 and 15

2.3.2 紊動(dòng)能

紊動(dòng)能是表征水流整體紊動(dòng)狀況的物理量,為物質(zhì)輸移及能量傳遞提供支持,表達(dá)式為

(2)

式中:T為紊動(dòng)能,cm2/s2；u′、v′、w′分別為縱向、橫向和垂向上的脈動(dòng)流速,cm/s。

圖8為主渠道典型斷面紊動(dòng)能分布,由圖8(a)可知,分水口上游斷面紊動(dòng)能沿渠寬方向?qū)ΨQ(chēng)分布,較大值出現(xiàn)在0.3H以下兩側(cè)邊壁及渠底中軸線(xiàn)附近。這是由于固液交界處水流紊動(dòng)切應(yīng)力較大,產(chǎn)生較大紊動(dòng)能,且易生成不同尺度的漩渦,漩渦在向上和向中軸線(xiàn)移動(dòng)及混摻過(guò)程中會(huì)伴隨能量的轉(zhuǎn)移和耗散,最終導(dǎo)致上層水體(>0.3H)紊動(dòng)能較小。分水口處水流紊動(dòng)擴(kuò)散速率和方向是改變紊動(dòng)能分布的主要因素,對(duì)比圖8(b)、8(c)、8(d)發(fā)現(xiàn),口門(mén)上唇斷面邊壁條件發(fā)生突變,水流向側(cè)渠方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),水體漩渦亦隨之向口門(mén)側(cè)轉(zhuǎn)移,靠進(jìn)口門(mén)區(qū)域水流波動(dòng)較大,則紊動(dòng)能較大；口門(mén)中間斷面紊動(dòng)能較大值(T>15)分布廣,多處出現(xiàn)極大值,結(jié)合前文研究?jī)?nèi)容可知,此處環(huán)流充分發(fā)展,在側(cè)向離心力和水壓力共同作用下,上層水體流向側(cè)渠,下層水體流向主渠左岸,導(dǎo)致水流紊動(dòng)擴(kuò)散速率較快；口門(mén)下唇斷面紊動(dòng)能較大值分布集中,最大值出現(xiàn)在0.1B附近,這是由于主渠右岸邊壁切應(yīng)力突然增大,水流紊動(dòng)加劇,各尺寸漩渦發(fā)生劇烈碰撞,水頭損失增加,故紊動(dòng)能較大。

圖8 主渠道典型斷面紊動(dòng)能分布Fig.8 Turbulent kinetic energy distribution of typical sections

由圖8可以看出,分水角為30°時(shí),口門(mén)下唇斷面紊動(dòng)能較大且分布規(guī)律明顯與其他斷面不同,說(shuō)明紊流結(jié)構(gòu)在口門(mén)中間斷面至下唇斷面區(qū)域變化較大,與環(huán)流強(qiáng)度分布、大小密切相關(guān)。灌區(qū)常見(jiàn)的直角分水口,紊動(dòng)能最大值出現(xiàn)在口門(mén)上唇斷面,口門(mén)下唇斷面紊動(dòng)能較小[18],這是因?yàn)榉炙菫?0°時(shí),主渠水流進(jìn)入側(cè)渠后形成的回流區(qū)域較大,側(cè)渠有效進(jìn)水寬度較小,口門(mén)上唇斷面水流流速大小及方向變化較多,紊動(dòng)劇烈,下唇斷面水深較大,水流動(dòng)能多轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,紊動(dòng)不明顯。相比于直角分水口,30°分水口過(guò)流能力較強(qiáng),流線(xiàn)更加平順,紊動(dòng)擴(kuò)散速率相對(duì)較小,邊壁侵蝕速率較慢,渠道維護(hù)所需人力物力成本相應(yīng)減少。

2.4 床面剪切應(yīng)力

床面剪切應(yīng)力是連接水流特征和動(dòng)床沖刷的一個(gè)重要參數(shù),可以一定程度預(yù)測(cè)動(dòng)床沖刷規(guī)律。當(dāng)近底水流所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力大于Shields剪切應(yīng)力后,床面就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)反應(yīng)[20]。主渠分水口區(qū)域水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜,床面剪切應(yīng)力變化與水流流速及紊動(dòng)參數(shù)變化相互影響,導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確獲得床面剪切應(yīng)力值。常見(jiàn)的床面剪切應(yīng)力求解方法包括平均切應(yīng)力法、對(duì)數(shù)率估測(cè)法、流速二次法、雷諾切應(yīng)力法、紊動(dòng)能法和修正紊動(dòng)能法,因各方法適用條件限制,本文選擇后3種方法計(jì)算床面剪切應(yīng)力,并通過(guò)對(duì)比分析選出合適的計(jì)算方法。圖9為主渠道分水口附近床面剪切應(yīng)力分布,對(duì)x軸、y軸坐標(biāo)分別進(jìn)行量綱一化處理,設(shè)口門(mén)上唇處為零點(diǎn)(0，0)，相對(duì)口門(mén)長(zhǎng)度為1,X*、Y*為相對(duì)長(zhǎng)度。

圖9 主渠道分水口附近床面剪切應(yīng)力Fig.9 Shear stress on the bed surface near the water diversion outlet of the main channel

3 結(jié) 論

為了探索非直角分水口區(qū)域水流紊動(dòng)特性,以30°分水角明渠為研究對(duì)象,通過(guò)多斷面多垂線(xiàn)三維瞬時(shí)流速觀測(cè)試驗(yàn),分析了分水口附近明渠水流紊動(dòng)特性,主要得到以下結(jié)論:

(1) 分流使主渠局部水深發(fā)生變化,主渠來(lái)流量為20～50 L/s時(shí),分水口附近水面波動(dòng)規(guī)律基本一致,遠(yuǎn)離口門(mén)側(cè)水深波動(dòng)較小,靠近口門(mén)側(cè)水深波動(dòng)較大,在分水口上游、下游斷面出現(xiàn)最小值和最大值,波動(dòng)幅度隨主渠來(lái)流量增加而增大。

(2) 對(duì)于30°分水口,主渠斷面上橫向流速值和分布規(guī)律變化較大,形成較大環(huán)流區(qū)域,易引起局部泥沙顆粒沖刷或淤積；30°分水口的環(huán)流效應(yīng)明顯大于90°分水口,更多的泥沙顆粒在水流作用下逐漸遠(yuǎn)離口門(mén)，流向主渠下游。

(3) 主渠道分水口區(qū)域縱向和橫向紊動(dòng)強(qiáng)度值明顯大于垂向紊動(dòng)強(qiáng)度,進(jìn)口斷面紊動(dòng)強(qiáng)度較出口斷面分布紊亂,最大值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離口門(mén)側(cè)；紊動(dòng)能較大值多分布于0.3倍水深以下,最大值靠近口門(mén)下唇；30°分水口與直角分水口相比紊動(dòng)擴(kuò)散速率小,邊壁侵蝕速相對(duì)較慢。

(4) 修正紊動(dòng)能法求解分水口附近床面剪切應(yīng)力比較精確；分水角為30°,床面剪切應(yīng)力較大值多分布于口門(mén)下唇附近,分水口上游床面剪切應(yīng)力值較小且分布均勻,渠底泥沙顆粒不易隨水流運(yùn)動(dòng),側(cè)渠道輸沙量相應(yīng)減小,分水口防沙效果較好。

本試驗(yàn)對(duì)清水條件下分水口區(qū)域水流紊動(dòng)特性進(jìn)行研究,忽略了多泥沙水源中泥沙顆粒與水流之間的相互作用,還需進(jìn)一步研究含沙量及泥沙顆粒級(jí)配對(duì)分水口水流紊動(dòng)的影響。