U形彎道建閘對(duì)水流運(yùn)動(dòng)特性的影響試驗(yàn)

趙小娥,鐘 杰,劉興年,王協(xié)康

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610065)

U形彎道建閘對(duì)水流運(yùn)動(dòng)特性的影響試驗(yàn)

趙小娥,鐘 杰,劉興年,王協(xié)康

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610065)

試驗(yàn)研究在U形彎道上建閘后水流運(yùn)動(dòng)特性的變化,結(jié)果表明彎道設(shè)閘使彎道不同位置凹岸、凸岸及中線水位產(chǎn)生顯著差異,從而導(dǎo)致水面橫比降變緩、水流動(dòng)力軸線變光滑、流速分布變均勻,為深入分析建閘后彎道水流特性及建閘對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)、河床演變等的影響研究提供借鑒。

彎道水流;建閘;水面橫比降;水流動(dòng)力軸線

天然河流幾乎都是彎曲的,彎道可以看成是組成河流的最基本單元[1]。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)彎道特有的水流運(yùn)動(dòng)、河床演變規(guī)律進(jìn)行了廣泛的研究,這些研究成果已應(yīng)用于水利樞紐布置,河道、航道整治,取、排水口選址以及碼頭、港口建設(shè)等領(lǐng)域中。關(guān)于如何利用彎道水流運(yùn)動(dòng)特性使其對(duì)工程有利,一些學(xué)者進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究:陳樹(shù)容[2]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了化州市江邊攔河水閘凸岸電站的引水防沙問(wèn)題;張海光[3]針對(duì)華安水電站工程,借助水工模型試驗(yàn),研究水電站取水口處于彎道河段的多孔攔河閘的水力特性,以確定多孔攔河閘啟閉泄洪優(yōu)化方案;徐國(guó)賓[4]根據(jù)最小能耗率理論對(duì)引水彎道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);馬有國(guó)等[5]在研究彎道環(huán)流強(qiáng)度及泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上,得到了彎道環(huán)流強(qiáng)度的判別數(shù)和人工彎道式取水樞紐的水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。此外,國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)如何改變彎道水流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究。郭維東等[6]通過(guò)對(duì)彎道內(nèi)有、無(wú)丁壩2種工況下的水流特性進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究,分析了丁壩對(duì)彎道水流流態(tài)的影響;周陽(yáng)[7]通過(guò)模型試驗(yàn)分析了丁壩對(duì)彎道自由水面形態(tài)、縱向流速分布、縱向紊動(dòng)強(qiáng)度分布的影響;Fazli等[8]研究了在90°彎道上設(shè)丁壩時(shí)丁壩附近的水流流場(chǎng)和水流沖刷情況;Jia等[9]分析了彎道水下堰的水流特性,并對(duì)水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。由此可知,對(duì)于如何利用彎道水流和如何改變彎道水流,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析,但是對(duì)于在彎道上建閘或壩對(duì)彎道水流運(yùn)動(dòng)特性的影響研究相對(duì)較少,如對(duì)建閘后水流動(dòng)力軸線變化、縱向流速分布影響等的研究尚不多見(jiàn)。筆者基于強(qiáng)彎道(U形彎道)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比分析了彎道建閘前后水流特性的變化規(guī)律,為深入研究彎道水利工程建設(shè)對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)特性的影響及其災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

U形平底緩斜面彎道水槽(水槽坡降i=0.005)由水泥漿抹面制作,寬為68cm,深為30cm,試驗(yàn)段由2個(gè)800cm的順直段和1個(gè)內(nèi)徑為80cm、外徑為148cm的半圓組成,一共布置試驗(yàn)測(cè)試斷面25個(gè),每個(gè)斷面按等寬布置5條測(cè)速垂線,順直段各斷面的間距為50cm,彎道段各斷面相鄰?qiáng)A角為15°,沿水深方向按等深布置3個(gè)測(cè)點(diǎn),供水系統(tǒng)為自循環(huán)系統(tǒng),見(jiàn)圖1。5孔平底平板閘門(mén)每孔凈寬12cm,閘墩長(zhǎng)20cm,中墩寬均為2 cm。中墩墩頭為半圓弧形,墩尾為圓弧曲線。閘室與彎道等底等高(均為30cm)。閘門(mén)刀口向下。整個(gè)閘室橫向長(zhǎng)68 cm,縱向長(zhǎng)20cm,可整體沿河槽縱向移動(dòng)。試驗(yàn)進(jìn)口流量控制為59.9L/s,用測(cè)壓管測(cè)各斷面上的凹岸、凸岸及中心線上的水位,用矩形堰測(cè)流量,用LGY-Ⅲ型多功能智能流速儀和新型光電式流速旋漿傳感器(旋漿直徑為12mm,起動(dòng)流速小于或等于1cm/s,精度為0.01cm/s)測(cè)垂線縱向流速,用三點(diǎn)法計(jì)算垂線平均流速。無(wú)閘門(mén)和有閘門(mén)2種工況下水深分別為6.5～13.8cm,9.0～15.0cm;流速分別為27.72～99.40cm/s,51.72～85.64cm/s;床面曼寧粗糙系數(shù)n均為0.011。水流經(jīng)過(guò)由矩形量水堰和進(jìn)水設(shè)備組成的首部設(shè)備進(jìn)入水槽。進(jìn)水設(shè)備借光滑的喇叭口與水槽相連,水槽中流出來(lái)的水則流入實(shí)驗(yàn)室的水庫(kù)內(nèi)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水面橫比降

圖2反映了無(wú)閘門(mén)和有閘門(mén)2種工況下平均橫比降的變化。由圖2可知,在彎道上設(shè)閘時(shí)整體水面橫比降要比不設(shè)閘時(shí)的水面橫比降小,且有閘時(shí)水面橫比降變化要平緩些。這主要是因?yàn)閺澋莱隹谔幍拈l門(mén)對(duì)彎道水流有一定的壅水作用,在一定程度上調(diào)平了彎道上的水面橫比降。圖3為無(wú)閘門(mén)和有閘門(mén)2種工況下中線水面線的比較,結(jié)果表明靠近閘門(mén)的地方水面線相差最大,距離閘門(mén)越遠(yuǎn),相差越小;在彎道進(jìn)口(距閘門(mén)最遠(yuǎn)處)無(wú)閘門(mén)和有閘門(mén)時(shí)的水面線最接近,說(shuō)明閘門(mén)對(duì)彎道水面線的影響在彎道進(jìn)口處幾乎消失。

表1 閘門(mén)各孔口的水深和流速

圖1 U形彎道水槽示意圖(單位:cm)

2.2 水流動(dòng)力軸線

水流動(dòng)力軸線是沿程各斷面最大垂線平均流速所在點(diǎn)的連接線,又稱(chēng)主流線。圖5為無(wú)閘門(mén)和有閘門(mén)時(shí)的水流動(dòng)力軸線。在相同的流量下,無(wú)閘門(mén)和有閘門(mén)時(shí)的水流動(dòng)力軸線在彎道進(jìn)口段偏靠凹岸,進(jìn)入彎道后逐漸向凸岸過(guò)渡,在彎道出口段又轉(zhuǎn)向凹岸。根據(jù)彎曲型河流上水流動(dòng)力軸線具有低水傍岸、大水走中泓的規(guī)律,此流量應(yīng)是比較大的流量。無(wú)閘門(mén)下水流頂沖點(diǎn)在6號(hào)斷面處,有閘門(mén)下的水流頂沖點(diǎn)稍向下移;在無(wú)閘門(mén)情況下的16號(hào)斷面處也發(fā)生了水流頂沖。

圖2 無(wú)閘門(mén)和有閘門(mén)下的橫比降

圖3 無(wú)閘門(mén)和有閘門(mén)下的中線水面線

圖4 設(shè)閘門(mén)后中線、凸岸及凹岸HR的變化

圖5 無(wú)閘門(mén)和有閘門(mén)時(shí)的水流動(dòng)力軸線

定義水流動(dòng)力軸線偏離系數(shù)a為凹岸縱向垂線平均流速ˉu凹與凸岸縱向垂線平均流速ˉu凸的比值。當(dāng)a＞1.0時(shí),表明主流線偏向凹岸;a＜1.0時(shí),主流線偏向凸岸;a=1.0時(shí),主流線居中[10]。圖6為a沿程變化曲線,無(wú)閘門(mén)時(shí)a在15號(hào)斷面以前均小于1.0,表示主流線偏向凸岸。而設(shè)閘之后a變化很明顯,在入彎前a＞1.0,主流線偏向凹岸;入彎后,a＜1.0,表示主流向凸岸轉(zhuǎn)移;過(guò)了彎頂,a值增大且接近于1.0,表明過(guò)彎頂后閘門(mén)前的彎道水流由于閘門(mén)的調(diào)節(jié)作用已趨于均勻。

圖6 水流動(dòng)力軸線偏離系數(shù)a沿程的變化

從水流動(dòng)力軸線的總體曲率變化可知,有閘門(mén)時(shí)的水流動(dòng)力軸線要比無(wú)閘門(mén)時(shí)的平緩、光滑。這主要是因?yàn)榻ㄩl后由于閘門(mén)的擋水作用使閘前水流出現(xiàn)壅水現(xiàn)象,影響到整個(gè)彎道的水流,從而改變了水流流速的大小及其分布。

2.3 縱向流速沿橫向的分布

圖7為無(wú)閘門(mén)和有閘門(mén)時(shí)的彎道縱向流速分布。由圖7可知,在進(jìn)口段無(wú)閘門(mén)時(shí)流速橫向分布比較均勻,中間大,兩側(cè)小;有閘門(mén)時(shí)流速橫向分布與無(wú)閘門(mén)時(shí)流速分布大致相同。在彎頂上段,無(wú)閘門(mén)凸岸的流速增大,凹岸保持較小的流速;有閘門(mén)時(shí)凹岸和凸岸的流速都在增加,流速的橫向分布較均勻。在彎頂下段,無(wú)閘門(mén)工況在15～17號(hào)斷面間水流發(fā)生折沖;而有閘門(mén)工況由于18號(hào)斷面處閘門(mén)的阻擋作用,從13號(hào)斷面水流就開(kāi)始偏向凹岸,閘門(mén)前的17號(hào)斷面處凹岸流速明顯大于凸岸流速。

圖7 無(wú)閘門(mén)和有閘門(mén)時(shí)的彎道縱向流速分布

3 結(jié) 論

a.彎道上建閘將使彎道不同位置凹岸、凸岸及中線水位產(chǎn)生顯著差異,其中對(duì)凸岸水面的壅水影響最大,其次為中線水面和凹岸水面。

b.彎道出口處的閘門(mén)對(duì)整個(gè)彎道的水面橫比降有一定的影響,使橫比降變化曲線變平、變緩;閘門(mén)對(duì)彎道水面的壅水作用隨著與閘距離的增大不斷減小,一般到彎道進(jìn)口處就幾乎消失。

c.彎道出口處的閘門(mén)使水流動(dòng)力軸線變平滑,縱向流速的橫向分布更均勻,且在靠近閘門(mén)處流速偏向凹岸。

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Experimental study on influences of sluice construction in a U-shape bend on characteristics of flow motion

ZHAO Xiao-e,ZHONG Jie,LIU Xing-nian,WANG Xie-kang(State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering,Sichuan University,Chengdu610065,China)

The characteristics of flow motion in a U-shape bend after a sluice constructionwere studied through flume experiments.The experimental results show that there are obvious changes of water levels at the convex and concave sides and the center line of the bend before and after constructing a sluice.It results in gentle transverse gradient of water surface,smooth dynamic axis of flows and uniform distribution of flow velocity.It is in favor of deeply analyzing the characteristics of flows in bends with sluice construction as well as the influences on sediment motion and riverbed evolution,etc.

bend flow;sluice construction;transverse gradient of water surface;dynamic axis of flow

TV66

A

1006-7647(2010)03-0047-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2010.03.012

國(guó)家自然科學(xué)基金(40771022;50739002)

趙小娥(1986—),女,陜西渭南人,碩士研究生,從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:zhaoxiaoe@126.com

book=57,ebook=262

2009-03-01 編輯:高建群)