梯形復式斷面明渠流場特征試驗研究

鄧召云

(樟樹市水利局，江西 宜春 331200)

梯形復式斷面明渠流場特征試驗研究

鄧召云

(樟樹市水利局，江西 宜春 331200)

本文采用重力相似準則，建立了原型梯形復式斷面無壩引水工程的室外試驗模型，解決了在無壩引水工程中開展試驗觀測難度大的問題。同時對主河道與明渠交叉點即明渠進水口及主河道上下游的流速進行了三維觀測，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行泥沙淤積治理提供理論參考。

無壩引水工程；流場；明渠進口；重力相似準則

1 模型設計與試驗

本文以江西省某新建的泵站取水工程為研究對象，采用縮小實物比尺的室外模型模擬實際水工建筑物水流運動特性的方法，探究無壩引水工程各部位的水流流動情況。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。為了確保模型實驗能更加準確的模擬實際水流的流動特點，模型的水平比尺λl=40。模型設計過程中重點考慮了水流和泥沙運動相似原理[1]，各主要比尺計算結果如下：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，泥沙沉速和揚動的粒徑比尺分別取1.52和1.66，根據運動相似準則計算的次要比尺不一一列出，計算公式見文獻[2],室外模型試驗平面布置圖見圖1，其中WZ代表所測的流速斷面，流速采用三維流速儀測定，分別為X、Y、Z3個方向的流速，規定流速為正值時，與試驗標定的流速方向相同，流速為負值時，與標定的方向相反。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，通過攪拌機產生水流擾動，干擾主河道的水流，進而模擬實際渠道的水流運動。各測量流速斷面的間距為15 m，縱向觀測總長度為250 m，主河道的總長度為450 m。通過建立以上室外模型來測定主河道、明渠進口及引水明渠的水流流速即流場分布。

圖1 室外模型試驗平面布置圖

明渠的流場觀測試驗分為明渠進口和主河道上下游段流場變化，依據水頭特點，設定的試驗工況參數如下：河道水位為7.12 m,觀測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，復式明渠水位測針筒測針讀數為31.69 cm。在試驗開始后，當水流運動穩定時，分別測定400個瞬時流速值，流速變化不符合規律的數值取前后時刻的平均值，最后取所有流速的加權平均值作為該斷面的流速。

2 明渠進口流場變化

明渠進口處水流為渠道中水流運動最復雜的部位，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斷面為研究對象，樁號范圍為5+00～9+00，斷面間距為15 m，樁號間距為3 m。流場測點平面布置圖及水流方向坐標系設置見圖2，坐標原點設置在明渠進口前段攔沙坎和主河道7+00樁號的交點處，y=0代表進口上游處，y=100代表進口下游處。以U正值代表渠道軸向X方向的水流方向，V負值代表主河道水流方向，W負值代表垂直水面向下。m代表邊坡系數，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 流場測點平面布置圖

對明渠進口處流速三維觀測建立的平面直角坐標系見圖2A區域處，Z軸方向為垂直水面向上為正，不同x值斷面處明渠進口縱向流速觀測結果見圖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，即從明渠進口流向下游方向的流速逐漸減小，這與進口處水流分流流向明渠一側是相符的。x=18～30斷面處開始出現回流但回流表現不很明顯，x=34～50斷面即距離明渠進口越近的位置，回流現象越明顯，U方向處第一次回流出現在y/m=50位置處，W方向為y/m=-85，因V方向水流為垂直流動所以其未發生回流。距離明渠進口較近的位置，流速波動較大，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在y/m=-60位置。在不同斷面處W方向的流速變化均較平穩。x=46和x=50位置處，明渠口中心位置的水流表現為上游水體向下流動，流速逐漸減小，下游水體向上流動流速逐漸增加，表現為相反的流動現象。

圖3 明渠進口平均流速縱向分布

明渠進口的橫向流速見圖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斷面即明渠進口中心處的水流回流現象已非常明顯，不同斷面處的流速V值均較大。

明渠進口的垂向流速見圖5，距離明渠進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，明渠進口的水流將會對主河道的水量及水流流動造成影響，因此了解主河道的流速變化對于了解泥沙的淤積位置是至關重要的。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斷面即明渠進口處的流速變化關系為：

y=10-5x3-0.020x+0.702 (7+40斷面)

y=10-5x3-0.009x+0.492 (7+60斷面)

圖4 明渠進口平均流速橫向分布

圖5 明渠進口平均流速垂向分布

圖6 主河道上下游流速變化

4 結 論

河道泥沙淤積已成為水環境治理關注的重點之一，本文通過建立室外模型試驗模擬原型無壩引水工程的水流運動情況，對不同斷面不同坐標位置處的水流流速進行了觀測，主要得出以下結論：明渠進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，明渠口中心位置的水流表現為上游水體向下流動，流速逐漸減小，下游水體向上流動流速逐漸增加，表現為相反的流動現象，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,胡春宏. 漫灘水流水沙運動規律的研究[J]. 水利學報,1998，29(9):1-7.

[2] 王睿禹. 沖沙模型試驗中時間比尺變態問題的數值模擬研究[D].北京：清華大學,2007.

[3] 李長安,殷鴻福,俞立中. 長江流域泥沙特點及對流域環境的潛在影響[J]. 長江流域資源與環境,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，主要從事農田水利施工管理技術研究。E-mail: dzyunedu@126.com。

S152.7

A

2096-0506(2017)10-0041-05