寬戧堤截流龍口水力特性研究

楊 磊,鄭 靜,方勇生,詹青文

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072;2.湖北省咸寧市水利局,湖北 咸寧 437100;3.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院,江西 南昌 330029)

在水利水電工程建設(shè)中,河道截流占有十分重要的位置,截流的成敗直接關(guān)系到工程建設(shè)的進(jìn)度和造價(jià),因此截流常被作為工程建設(shè)中的關(guān)鍵工序和里程碑。20世紀(jì)30年代至60年代,前蘇聯(lián)學(xué)者C.B.伊茲巴斯和K.L.盧賓斯坦對大江大河平堵截流的理論和計(jì)算方法進(jìn)行了充分的研究,打下了施工導(dǎo)流、截流、圍堰工程理論研究的基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代以來,立堵截流逐步代替了平堵截流,并且由單戧堤立堵截流發(fā)展到雙戧堤截流、多戧堤截流以及寬戧堤截流。1992年,肖煥雄[1]編著了《施工水力學(xué)》,對水利水電工程施工中的主要水力學(xué)問題進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究。在隨后幾年內(nèi),結(jié)合長江三峽工程3次截流的實(shí)施,鄭守仁[2]、王光謙等[3]、周厚貴等[4]、戴會超等[5]、夏仲平[6]、楊文俊等[7]、金忠青等[8]、鐘登華等[9]、劉發(fā)全[10]對截流過程中的關(guān)鍵技術(shù)、深水截流過程中的戧堤坍塌、施工過程的可視化仿真以及雙戧堤截流等問題進(jìn)行了深入的理論和試驗(yàn)研究。

現(xiàn)階段對寬戧堤龍口水流特性以及截流機(jī)理的研究并不是特別充分,以往報(bào)道的國外研究主要有1956年美國Dalles工程76 m寬戧堤截流以及1958年Oahe工程182～273 m寬戧堤截流。根據(jù)截流試驗(yàn)研究成果,戧堤加寬后,龍口水流沿程損失增加,龍口前壅水高度和分流量增大,從而減小了龍口流量,降低了龍口流速。另外,戧堤加寬后,不僅從水力條件上改善了截流條件,而且從施工實(shí)施上提高了截流拋投強(qiáng)度,有利于控制和減少拋投截流材料的流失。肖煥雄等[11]進(jìn)行了多組寬戧堤截流模型試驗(yàn),提出寬戧堤截流中龍口水面線流態(tài)變化與戧堤寬度和總水頭之比有關(guān),給出了龍口上下游落差的推導(dǎo)方法,并認(rèn)為寬戧堤龍口流量系數(shù)是河床束窄度和寬高比的函數(shù)。任春秀等[12]針對不同地形、地質(zhì)以及分流條件下的寬戧堤截流進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究,比較了寬戧堤截流與單戧堤和雙戧堤截流的難易程度,初步研究了寬戧堤截流進(jìn)占拋投方式以及降低截流難度的措施。王繼保等[13]采用平面二維淺水方程對寬淺河谷單戧立堵截流進(jìn)行數(shù)學(xué)模型試驗(yàn),通過對截流時(shí)的分流流量變化以及戧堤進(jìn)占過程中戧堤中軸線流速和上下游水位落差變化,探討了立堵截流中戧堤的寬度效應(yīng)。

根據(jù)現(xiàn)階段對寬戧堤截流的認(rèn)識,以及對寬戧堤截流龍口的水力指標(biāo)、水流形態(tài)等方面的初步研究和分析,得出寬戧堤能降低截流難度的結(jié)論。寬戧堤截流的適用條件、截流過程中水流運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律、戧堤頂寬的選擇以及寬度效應(yīng)分析等關(guān)系到截流工程能否順利實(shí)施的科學(xué)問題都是值得研究的課題。為更加深入地探討寬戧堤截流的機(jī)理,筆者擬通過模型試驗(yàn),進(jìn)一步研究寬戧堤截流過程中龍口水流運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律,為截流方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施提出新思路和理論依據(jù)。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 模型規(guī)劃

由于工程水流邊界條件復(fù)雜多變,水流三維特性強(qiáng)烈,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,給寬戧堤截流相似模擬增加了難度。根據(jù)科學(xué)研究的一般規(guī)律,先研究最基本的情況:一定的綜合糙率、平底坡河床、矩形斷面水槽,從不同寬戧堤寬度的定床試驗(yàn)成果中得出寬戧堤截流的一般規(guī)律。

1.2 模型尺寸

根據(jù)試驗(yàn)研究的目的、內(nèi)容和要求,以及模型試驗(yàn)的相似理論,試驗(yàn)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)成定床、整體、正態(tài)模型,即采用Fr相似條件。綜合考慮場地的限制條件、模型制作的方便以及試驗(yàn)工作的便利等因素,經(jīng)計(jì)算分析比較,模型選用的長度比尺為1∶80,由此得到模型流量比尺為1∶52743.34,流速比尺為1∶8.94,糙率比尺為1∶2.07。最終試驗(yàn)場地為長6.0m、寬1.0m的混凝土矩形水槽,水槽高0.3m,槽底坡度i=0,水槽綜合糙率為0.011～0.016。模型中擬定戧堤上游面坡度為1∶2.0,下游面坡度為1∶1.25,龍口進(jìn)占前沿邊坡坡度為 1∶1.5,上、下游面和龍口進(jìn)占前沿邊坡之間以母線為1/4橢圓的扭面相連,左右岸戧堤對稱布置。由于模型中槽底坡度為零,故河道下游水位未加控制。模型布置示意圖見圖1。

圖1 戧堤布置示意圖(單位:m)

1.3 模型試驗(yàn)方案

制定模型試驗(yàn)方案時(shí)主要考慮以下機(jī)理指標(biāo):寬戧堤的寬度、河道來流量、龍口底寬等要素。根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)的要求,設(shè)計(jì)了4種工況。各工況對應(yīng)戧堤寬度分別為25m,50m,65m,80m;龍口底寬均為20m;河道來流量分別為 1500m3/s,2500m3/s,3500m3/s,4236 m3/s(當(dāng)戧堤寬度為25m時(shí),增加1個(gè)河道來流量數(shù)據(jù):1000m3/s)。

1.4 模型控制與測量方法

擬定流速測點(diǎn)布置方案時(shí),考慮到水槽中有兩種斷面,一種為非龍口斷面,這種斷面形狀規(guī)則,每隔0.5m進(jìn)行測量(將樁號起點(diǎn)位置設(shè)在戧堤寬度中心距離水槽進(jìn)口3 m處,試驗(yàn)過程中修改戧堤寬度時(shí)均為向上下游加長,如圖1所示);另一種為龍口斷面,需要施測的點(diǎn)較多,在戧堤坡腳斷面、挑角斷面、龍口軸線斷面等進(jìn)行布點(diǎn)測量。水面線測點(diǎn)分布同流速測點(diǎn)分布,并在龍口區(qū)域加密。

模型試驗(yàn)采用恒定流試驗(yàn)方法,用電磁流量計(jì)控制模型流量,堰上水頭用精度為0.1mm的測針量測。采用長江科學(xué)院研制的CF9901型微電腦流速儀測量各測點(diǎn)的流速及流向,沿程水位采用固定測針測量。

2 模型試驗(yàn)成果

2.1 水面線特性

模型試驗(yàn)水面線如圖2所示,橫坐標(biāo)為水流方向的樁號,縱坐標(biāo)為河道水位。圖中龍口范圍為圍堰上下游坡腳線之間的距離。

圖2 模型試驗(yàn)水面線

定義寬高比(B/H0)為戧堤寬度和龍口前總水頭的比值。由圖2可知,龍口范圍內(nèi)水面線形態(tài)隨B/H0的變化規(guī)律如下:①當(dāng)B/H0＜3.1時(shí),龍口類似于無底坎寬頂堰,水流流態(tài)與寬頂堰流態(tài)相似,過堰水流由于受到側(cè)向束縮,過水?dāng)嗝鏈p小,局部阻力增大,上游水位壅高,進(jìn)入龍口區(qū)域后,水面下降,一直到出龍口區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的一次性跌落,稱為單降。②當(dāng)3.1≤B/H0≤5.7時(shí),當(dāng)戧堤寬度增大之后,束窄部分沿河道很長,龍口內(nèi)水流流態(tài)類似于明渠非均勻漸變流[14],進(jìn)龍口區(qū)域處有一次水面跌落,進(jìn)入龍口區(qū)域后,水流猶如在明槽中漸變流動(dòng),水面線下降緩慢,趨于水平,在即將出龍口區(qū)域處由于擴(kuò)散作用,水面再次下降,呈現(xiàn)出2次水面跌落,稱為雙降。③當(dāng)B/H0＞5.7時(shí),整個(gè)龍口區(qū)域內(nèi)的水流仍然是雙降的水面流態(tài),但其中部區(qū)域水面線斜率開始逐漸變大,水面線有了變陡的趨勢,即龍口水面線由雙降逐漸變?yōu)樾甭瘦^小的單降。

2.2 龍口區(qū)域流速

由于篇幅有限,僅對模型試驗(yàn)各工況從上游坡腳線至下挑角45°斷面之間的區(qū)域中軸線上的垂線平均流速(表1)進(jìn)行分析。

對表1進(jìn)行分析,得出龍口區(qū)域流速變化規(guī)律如下:①龍口流量相同時(shí),隨著戧堤寬度的增大,流速有變小的趨勢,尤其是龍口中下部斷面表現(xiàn)得十分明顯。例如,B=65m,Q=4236m3/s時(shí),樁號0+00.00m斷面的流速為10.20m/s,龍口出口斷面的流速為10.73 m/s;相同流量下 B=80m時(shí),樁號0+00.00m斷面的流速為9.81 m/s,龍口出口斷面的流速為10.03 m/s。其原因在于戧堤寬度加長,龍口中下部斷面與龍口入口斷面的距離也隨之加長,從而導(dǎo)致沿程損失增加,流速變小。②各種工況下龍口區(qū)域第二、第三流速測試斷面分別代表上挑角45°和上挑角60°斷面。雖然這2個(gè)斷面相隔很近,但是流速梯度比其他各相鄰斷面都大。由圖2可以看出,上游壅水最高點(diǎn)在龍口進(jìn)口斷面處,該斷面之后水面急劇下降,故第二、第三流速測試斷面之間的水頭差很大,使得二者之間的速度差很大。同時(shí)表明龍口區(qū)域上挑角附近為截流難度最大的部位。③當(dāng)B/H0＜5.7時(shí),龍口內(nèi)流速隨著戧堤的加長而變小,此為戧堤寬度效應(yīng)的表現(xiàn),例如 B=65m,B/H0=3.57,Q=4236m3/s時(shí),上挑角45°斷面的平均流速為3.31 m/s,龍口軸線斷面的平均流速為10.20m/s;B=80m,B/H0=4.57,Q=4236m3/s時(shí),上挑角45°斷面的平均流速為2.89 m/s,龍口軸線斷面的平均流速為9.81m/s;而當(dāng)B/H0＞5.7時(shí),流速變小的趨勢開始減弱甚至出現(xiàn)流速不減小反而增大的現(xiàn)象。這說明當(dāng) B/H0大于一定值之后,戧堤的寬度效應(yīng)對流速的影響減弱直至沒有影響。

表1 模型試驗(yàn)龍口區(qū)域中軸線垂線平均流速

3 寬度效應(yīng)初步分析

戧堤寬度效應(yīng),一般是指戧堤寬度增加導(dǎo)致龍口前壅水增高、龍口內(nèi)水流流速降低、截流難度降低的現(xiàn)象。截流中人們很關(guān)心上挑角處的流速變化規(guī)律,為了研究寬戧堤截流的寬度效應(yīng),以上挑角45°斷面平均流速和龍口軸線斷面平均流速的比值v a/v z作為因變量,來分析其他因素對寬度效應(yīng)的影響。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出各實(shí)測參數(shù)如表2所示。

?

由表2可以看出:在同一龍口流量下,隨著戧堤寬度的增加,va/vz均先降低后升高,表明在該流量下,應(yīng)有一個(gè)最適宜的戧堤寬度使上挑角的流速最小、截流難度最低;在同一戧堤寬度下,隨著流量的增加,v a/v z變化受水深影響變化較大,呈現(xiàn)不規(guī)則變化,因此,引入無量綱參數(shù)B/H0來分析其影響程度。va/vz隨B/H0的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出:當(dāng) B/H0＜3.1時(shí),戧堤寬度增加不足以引起寬度效應(yīng)的產(chǎn)生,龍口流態(tài)類似無底坎寬頂堰流,寬度增加對流速影響不明顯,va/vz變化不大;當(dāng)3.1≤B/H0≤5.7時(shí),隨著戧堤寬度的增加,龍口內(nèi)的沿程損失增加,導(dǎo)致龍口前壅水增高,龍口內(nèi)水流類似明渠非均勻流,流速降低,va/vz降低較明顯,寬度效應(yīng)較顯著;當(dāng)B/H0＞5.7后,龍口內(nèi)沿程損失的增加對流速變化的影響變得不明顯,va/vz有上升趨勢,寬度效應(yīng)不太明顯。

圖3 模型試驗(yàn)實(shí)測 va/vz隨 B/H0的變化曲線

4 結(jié) 論

寬戧堤截流當(dāng)寬高比B/H0小于3.1時(shí),龍口區(qū)域沒有寬度效應(yīng),水面線呈現(xiàn)單降;當(dāng)3.1≤B/H0≤5.7時(shí),龍口沿程損失增加,寬度效應(yīng)明顯,龍口水流從寬度不足的寬頂堰流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊髑u變非均勻流流態(tài),水面線由一次降落的形態(tài)變?yōu)檫M(jìn)入龍口時(shí)水面線降落一次、在龍口中部水面線較平緩、出龍口時(shí)水面線再次下降的形態(tài),水面流態(tài)呈雙降,且龍口內(nèi)流速降低;當(dāng)B/H0＞5.7時(shí),戧堤的寬度效應(yīng)減弱,龍口內(nèi)沿程損失的增加部分對總的能量損失影響不大,水面形態(tài)變化由雙降逐漸變?yōu)閱谓?寬戧堤的寬度效應(yīng)減弱并變得不明顯,流速也由變小的趨勢變?yōu)樽兇?龍口中部水面線由平緩變?yōu)橛幸欢ǖ钠露?。因此可以得出在一定的條件下(3.1≤B/H0≤5.7)寬戧堤的確能夠降低截流難度的結(jié)論。

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