梯形復式斷面引水明渠流場特征試驗研究

王緒剛

(撫順市水利勘測設計院，遼寧 撫順 113006)

梯形復式斷面引水明渠流場特征試驗研究

王緒剛

(撫順市水利勘測設計院，遼寧 撫順 113006)

本文以河南水廠泵站引水工程為例，對待驗證的梯形復式斷面引水明渠流場特征進行模擬分析。結果表明：相比于工況1、工況2，工況3下的水流紊動特征最弱，明渠對口門區(qū)的沖擊及破壞力也最小，對保障工程正常運行有利。

梯形復式斷面；引水明渠；流場特征

隨著工程技術及施工設備不斷進步，人類對水資源利用能力越來越強。由于水資源在地理空間上的不均衡分布，需要修建水利工程對水資源進行調(diào)配。在引水工程運行過程中，一方面要考慮絕對飲水量的大小，另一方面需重視泥沙沉積及其清理問題[1-3]。相比較于無壩引水明渠，梯形復式斷面引水明渠在阻止泥沙方面有較好效果。

1 物理模型及試驗工況

1.1 工程概況

河南水廠位于遼寧省撫順市，緊鄰渾河，渾河水含沙量歷年均值為1.19kg/m3。為有效利用渾河水，需要構建泵站引水工程。工程由取水口、引水明渠、泵站、輸水管道、水處理設備組成。引水明渠主要設計參數(shù)為：頂部寬度80.50m，底部寬度16.50m，取水角度73.30°，明渠總長度255m。該工程近期供水規(guī)模為1.97萬m3/d，遠期規(guī)劃規(guī)模為3.94萬m3/d。二期工程修建后，引水明渠需要能夠滿足11m3/s的引水量。

為確保引水明渠正常發(fā)揮功能，需要對引水明渠回流、紊亂以及流速變化等流場特征進行分析。

1.2 物理模型

基于工程實際情況，確定平面物理模型(見圖1)，該工程物理模型包括三個基本組成部分：主河道、明渠部分以及口門區(qū)。在后續(xù)分析中，將分別對明渠部分及口門區(qū)建立x、y坐標，并對其流場特征進行分析。在模型中，河道縱坡為1/1000，引水明渠總體設計為復式結構，其底部寬度為16m，坡比為1∶3。在口門處，將設置一個攔沙坎，其高度為1.34m。

1.3 試驗工況

為對引水明渠的流場特征進行觀測并對相關問題進行對比研究，共設置3個工況。各個工況被賦予不同參數(shù)組合，這些參數(shù)主要包括河道水位、模型河道流量、原型河道流量、模型明渠流量、原型明渠流量、矩形堰測針讀數(shù)及三角堰測針讀數(shù)等。這些工況涵蓋了枯水期、中水位期及最低水位期。由于條件限制，該研究引水工程不滿足高水位期供應條件，因此，不進行觀測及模擬研究(參數(shù)統(tǒng)計結果見下表)。

圖1 引水明渠物理模型平面布置

引水明渠流場觀測試驗工況參數(shù)統(tǒng)計結果表

2 口門近區(qū)流程分析

本文中將口門近區(qū)標記為A區(qū)，并構建相應的坐標系統(tǒng)(見圖2)。原點O為主河道與明渠攔沙坎交匯處。在分析流速時，共設置三組流速：x向流速，記為U，其值為正；y向流速，記為V，其值為負；z向流速，記為W，其值為負。通常情況下，水流正向流動；當水流出現(xiàn)逆流時，特別說明。

圖2 引水明渠原型A區(qū)平面直角坐標系統(tǒng)

2.1 高水位時期表層水體流場分布特征

工況1條件下，分別對不同位置處的軸線水流平均速度進行觀測(見圖3)，得出如下水流規(guī)律：

圖3 工況1條件下口門近區(qū)軸線流速均值縱向分布

當x=12m時，各個方向的水流速度均呈平穩(wěn)變化特征。其中，主流方向速度U多在0以上，且分布于區(qū)間[0m/s，0.1m/s]。分速度V及分速度W全為負值，其中，W值分布于區(qū)間[-0.18m/s，-0.14m/s]；V值分布于區(qū)間[-0.28m/s，-0.71m/s]。隨著斷面深度增加至x=24m，主流向速度、各分速度基本特征呈現(xiàn)細微變化。其中，主流向速度U變化相對最為顯著，其值主要分布于區(qū)間[-0.04m/s，0.09m/s]。

當斷面深度增加至x=40m時，主流方向及各分速度都呈現(xiàn)顯著波動特征。當斷面深度增加至x=50m時，主流方向及各分速度的波動特征更加顯著。相比較而言，z向分速度W波動性較小。

當斷面深度增加至口門區(qū)x=40m后，流場特征不再具有平穩(wěn)特征，轉而出現(xiàn)較大波動。結合主流方向速度及各分速度特征的比較，這種波動可被解讀為顯著回流現(xiàn)象。隨著斷面越來越靠近引水明渠口門近區(qū)，其流場特征越來越“混雜”，即各方向水流越來越交互滲透，水流越來越紊亂，對攔沙坎沖擊也會越來越大。

2.2 正常水位時期表層流速分布特征

當水流存在橫向流動特征時，易對明渠邊坡造成沖刷?；诠r2(河道水位為3.23m，為正常水位)相關參數(shù)，本部分將對其表層流速橫向分布特征進行分析，分析重點為明渠前端。相比較于工況1，工況2條件下的引水流量相同(均為5.52m3/s)，而且設計常水位有所增加。與工況1分析類似，本部分將對工況2條件下各斷面流速均值進行分析(見圖4)。

圖4 工況2條件下引水明渠流速變化情況

從CS07斷面到7+090斷面，隨著觀測距離的增加，主流方向流速與分速度均呈現(xiàn)顯著趨同特征(見圖4)。主流方向流速U及y向分流速V比較平穩(wěn)，z向分流速W則隨著測量距離增加而顯著上升。這表明，在工況2下，引水明渠出現(xiàn)比較明顯的紊流現(xiàn)象，不同斷面水流出現(xiàn)顯著混合，直至7+090斷面處，才呈現(xiàn)顯著分流，表層縱向流速分布于區(qū)間[-0.12m/s，0.07m/s]上，表層橫向流速則極低，僅為0.01m/s，各向流速不存在顯著差距，因此，該斷面水流不會對明渠邊坡造成顯著沖擊。

2.3 枯水位時期表層三維流速分布

對于季風帶內(nèi)的河流，水位會隨著季節(jié)變化而變化。當河流處于枯水位時，引水明渠的引水量會相應降低，明渠表層流速總體穩(wěn)定，隨著斷面不斷下行，主流方向流速及分速度總體呈現(xiàn)不斷降低的趨勢。當測量工作進行至CS08斷面時，三組流速值均小于0(見圖5)。

圖5 工況3明渠段三維流速橫向分布

由圖5可知，引水明渠在枯水位時期的流速橫向分布表現(xiàn)出如下幾點特征：

在0+60斷面之前，明渠前端存在顯著回流特征；相比較于左岸，回流現(xiàn)象在明渠右岸表現(xiàn)得更加明顯；水流速度在回流區(qū)中心及外部有不同特征，總體呈現(xiàn)為“中心偏小，越往外側越大”。

在0+60斷面，縱向分速小于0，而橫向分速則為正。此時，不存在水體回流現(xiàn)象，水流形態(tài)十分穩(wěn)定。然而，明渠水流主軸向右岸傾斜，使得水流斷面面積被大大壓縮，對明渠邊坡的沖擊也大幅度降低。

在0+180斷面之后，回流特征基本消失，水流更加順直；沿著明渠中軸線，流速分布較為均衡，明渠水流穩(wěn)定性較為正常。

當水流進行至斷面0+180時，明渠水流流速分布更加均衡。水流主軸向明渠右側傾斜更加顯著，這是因為取水泵站安置在明渠右側，其水流導向作用更加顯著。表層主流速度為0.14m/s，水流十分穩(wěn)定。在橫向上，水流速度分布極小，可以忽略不計，因而不存在水體回流現(xiàn)象。

相比較于工況1、工況2，工況3下的水流紊動特征最弱，明渠對口門區(qū)的沖擊及破壞力也最小，對保障工程正常運轉比較有利。

3 結 論

梯形復試結構是引水明渠中常用的斷面設計型式。尤其是在高山丘陵地帶，受地質(zhì)條件復雜、地形落差較大等因素的限制，更需要因地制宜地進行引水明渠設計，從而在確保工程質(zhì)量達標的同時，盡可能地控制工程成本及資源消耗。以泵站引水工程為例，對其明渠平面流程特征進行分析，得出如下結論：在高水位時期，明渠主流至斷面0+120時趨于穩(wěn)定，明渠末端的水流表現(xiàn)出較小程度的異常波動；在正常水位條件下，明渠在0+110斷面時達到穩(wěn)定狀態(tài)，然而在縱向上存在一定程度的回流現(xiàn)象；在枯水位條件下，明渠在0+60斷面時達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時不存在回流現(xiàn)象。在不同工況、不同斷面處的水流特征有較大差異?？傮w來看，工況3更有利于引水工程運用。

[1] 陳彬興. 那恒水庫CSG壩體及壩基彈模變化影響分析[J]. 中國水能及電氣化, 2016(2):49-51.

[2] 田艷, 張根廣, 秦子鵬. 螺旋流排沙管三維數(shù)值模擬[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2014(9):131-134.

[3] 劉娟, 趙曉軍. 水閘除險加固中堰型的選擇[J]. 水利建設與管理, 2013(9):33-36.

Experimental Study on Flow Field Characteristics of Open Diversion Channel in Trapezoidal Compound Section

WANG Xugang

(FushunMunicipalSurveyandDesignInstituteofWaterConservancy,Fushun113006,China)

Taking the diversion project of pumping station of Henan water factory as an example, this paper carries out the simulation analysis of the flow field characteristics of the open diversion channel in trapezoidal compound section. The result shows that: the stream current turbulence characteristics of the work condition 3 is the weakest when compared with work condition 1 and work condition 2, and the impact and destructive force on the port gate area by the open channel are also minimum, which are beneficial to guarantee the normal operation of engineering.

trapezoidal compound section; open diversion channel; flow field characteristics

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.01.015

TV131

A

1673-8241(2017)01- 0052- 04