曲線交匯條件下匯流角對彎道環(huán)流強(qiáng)度的影響研究

李 達(dá)

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

曲線交匯條件下匯流角對彎道環(huán)流強(qiáng)度的影響研究

李 達(dá)

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

本次研究基于國內(nèi)外彎道交匯河段水流運(yùn)動特征研究的相關(guān)成果，設(shè)計(jì)和建立了水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行清水試驗(yàn)，借助多普勒流速儀等儀器，分析了匯流角對環(huán)流強(qiáng)度變化的影響，研究結(jié)果可以為曲線型交匯河流的河床演變分析、制定河道整治措施提供參考。

曲線型交匯；模型試驗(yàn)；環(huán)流強(qiáng)度；入?yún)R角

干支流交匯是自然河流中普遍存在的河貌形態(tài)。曲線形河道水流形態(tài)多變，如果再有支流匯入，匯流口附近的水流運(yùn)動會異常復(fù)雜，呈現(xiàn)出明顯的橫向環(huán)流。橫向環(huán)流的特征與各種水利要素密切相關(guān)，其中支流的入?yún)R角是比較重要的控制因素。因此，利用模型對支流交匯于干流凸岸彎道的彎道環(huán)流展開研究，能為相似河段的分析研究提供有益的理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 彎道橫向環(huán)流形成機(jī)理與影響

水面橫比降會造成彎道各斷面沿垂線呈線性分布的橫向壓力差，這種壓力差的存在致使流速沿垂線呈現(xiàn)出一種非均勻性分布狀態(tài)，兩者的共同影響進(jìn)一步導(dǎo)致河流彎道的橫向環(huán)流[1]。彎道部位的橫向環(huán)流與主體水流相互作用，形成彎道所特有的螺旋性的水流特征。根據(jù)相關(guān)的研究成果，水流在河流的彎道部位會產(chǎn)生指向凸岸的向心力。如果河流在彎道凸岸處恰好存在一個斜交支流，就會構(gòu)成典型的曲線交匯彎道。由于支流水流的沖擊作用，使得表層水流對對岸產(chǎn)生更為嚴(yán)重的沖刷。具體而言，在凹岸，水流會以較大的流速從表層流向底層，從而持續(xù)不斷地沖刷凹岸，底流中的泥沙受重力作用會逐漸在凸岸淤積形成淺灘，這會對航行產(chǎn)生嚴(yán)重阻礙。因此，應(yīng)該在凹岸的適當(dāng)部位采取必要的加固措施，防止彎道不斷向下游移動[2]。

2 模型設(shè)計(jì)與測量設(shè)備

2.1 模型的布置和制作

大多數(shù)匯流模型試驗(yàn)為支流斜交于順直干流，而本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的是支流斜交于曲線型干流，支流水流在交匯處不僅受到慣性作用，還要受到彎道離心力的作用。因而，對干流水流具有更強(qiáng)的沖擊作用，水流特性更為復(fù)雜。整個模型試驗(yàn)體系包括水循環(huán)系統(tǒng)、流量調(diào)控系統(tǒng)、測量儀器以及其他設(shè)備。結(jié)合我國大多數(shù)自然河道圓心角的特征，確定水槽彎道弧度為60°。模型的主槽寬0.60 m，高0.40 m，彎道弧長是 4 m，彎道半徑為 3.78 m；支槽寬 0.3 m，高0.40 m，支槽長度為 3 m；低坡設(shè)計(jì)為0.0005，所需流量可以通過閥門調(diào)節(jié)，流量采用矩形薄壁堰測量，精度為0.1 L/s。整個水槽嚴(yán)格按照《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》(SL 155-2012)的要求制作，平均水平誤差小于5 mm，豎直高程誤差小于2 mm，漏水量低于試驗(yàn)流量的1%。流速測定儀器選用超聲波流速儀，其接收探頭與采樣體的連線與發(fā)射探頭軸線之間的夾角為30°，探頭位于測量點(diǎn)正上方 5 cm，目的是減小探頭因與水流碰撞而帶來的干擾誤差。

2.2 測點(diǎn)布置

流速測點(diǎn)網(wǎng)格主要布置在彎道段，把彎道圓心角每 5°劃分一個斷面，共劃分了13個斷面，記為1、2、3……13。每一個斷面上從左岸至右岸分別選取6條垂線，即垂線1～6，具體見圖1。 在每一條垂線上逐次設(shè)有三個測點(diǎn)，依次記作0.2 H、0.4 H、0.8 H(H 是每個測點(diǎn)平均水深)。采用三點(diǎn)法[3-5]計(jì)算垂線平均流速，整個彎道段網(wǎng)絡(luò)測點(diǎn)共有234個。

圖1 垂 線布置示意圖

3 結(jié)果與分析

在試驗(yàn)裝置中，當(dāng)水流進(jìn)入彎道之后，彎道槽和進(jìn)出口段的流速場就會隨水流運(yùn)動發(fā)生顯著改變[5-6]。其中，橫向流速的特征和沿水深的分布狀態(tài)，會對流場的調(diào)節(jié)和分布造成直接影響，并成為決定環(huán)流強(qiáng)弱的主要因素[7]。對環(huán)流強(qiáng)度進(jìn)行衡量的標(biāo)準(zhǔn)有很多種，以下的試驗(yàn)研究利用橫向分速度Vy與縱向分速度Vx的比值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。剖取z=0.2 H、0.4 H、0.8 H這3 個流層平面，繪制旋度等值線圖，匯流比為1∶5，研究不同入?yún)R角對環(huán)流強(qiáng)度的影響。

3.1 入?yún)R角為45°時的結(jié)果分析

0.8 H處的彎道交匯區(qū)域下的環(huán)流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表1所示(只列出對結(jié)果影響明顯的8個斷面的結(jié)果，以下同)。從表格中的數(shù)據(jù)可以看出，整個彎道上層環(huán)流強(qiáng)度較小。斷面2、3處的值不大，說明在彎道進(jìn)口處環(huán)度較小，在斷面3處，靠近凸岸處的值為負(fù)值，因?yàn)樵诮粎R口上游附近會產(chǎn)生一個停滯區(qū)，使水流變化不穩(wěn)定。在斷面4處達(dá)到一個最高點(diǎn)，而且凸岸處的環(huán)流強(qiáng)度要大于靠近凹岸處，這是因?yàn)橹Я鲗χ髁鞯捻斖凶饔?，致使在斷?處出現(xiàn)峰值。

表1 45°入?yún)R角下環(huán)流強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(0.8 H)

0.4 H處的彎道交匯區(qū)域下的環(huán)流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表格中的數(shù)據(jù)可以看出，在水深中部，彎道進(jìn)水口斷面2的環(huán)流強(qiáng)度較小，方向由凹岸流向凸岸，斷面3的環(huán)流強(qiáng)度有正值有負(fù)值，說明由于緊鄰交匯口受其影響，有水流由凸岸流向凹岸，兩者相互作用下的結(jié)果。在斷面4處達(dá)到峰值，但峰值小于0.8 H中的峰值，說明雖然水流對主流有頂托作用，但有一部分水流具有由凹岸流向凸岸的趨勢，與之方向相反，靠近交匯口處的垂線4、5、6的環(huán)流強(qiáng)度要大得多。在斷面5處環(huán)流強(qiáng)度明顯下降，原因是分離區(qū)水流形態(tài)復(fù)雜多變，相互碰撞，致使能量損耗，環(huán)流強(qiáng)度減弱。

0.2 H處的彎道交匯區(qū)域下的環(huán)流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表3所示。從表格中的數(shù)據(jù)可以看出，在水深底層，彎道進(jìn)水口斷面2和3，環(huán)流強(qiáng)度較小，且均為負(fù)值，說明在彎道水流底層，水流完全由凹岸流向凸岸，在斷面4處環(huán)流強(qiáng)度達(dá)到最大值0.48，且讓6 個垂線均改變了方向，說明在交匯口處，由于支流的匯入，對彎道環(huán)流有較大的影響，甚至從一定角度改變了水流的方向。

表2 45°入?yún)R角下環(huán)流強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(0.4 H)

表3 45°入?yún)R角下環(huán)流強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(0.2 H)

3.2 入?yún)R角為60°時的結(jié)果分析

0.8 H處的彎道交匯區(qū)域下的環(huán)流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表格中的數(shù)據(jù)可以看出，上層水流環(huán)度強(qiáng)度較小而底層環(huán)流強(qiáng)度較大，彎道的前后兩段差異不明顯，前半段的凹岸略大，后半段兩岸基本相同。同樣，在斷面4處達(dá)到峰值且凹岸處垂線強(qiáng)度要大于凸岸處的垂線，與入?yún)R角為45°相同位置相比，前者在斷面4處的垂線5的環(huán)流旋度值是0.22，后者在斷面4處的垂線5的環(huán)流旋度值是0.27，這是因?yàn)殡S著入?yún)R角的變大，支流對主流的作用力更強(qiáng)，因此環(huán)流強(qiáng)度與入?yún)R角的大小有顯著關(guān)系[8]。

表4 60°入?yún)R角下環(huán)流強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(0.8 H)

0.4 H處的彎道交匯區(qū)域下的環(huán)流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表5所示。從表格中的數(shù)據(jù)可以看出，水深中層，彎道進(jìn)水口斷面2和3，環(huán)流強(qiáng)度較小但方向有正有負(fù)，這是由于中層環(huán)流受到許多因素影響，方向不是很明顯；在斷面4處環(huán)流強(qiáng)度達(dá)到最大值0.69，大于45°的環(huán)流強(qiáng)度但小于底層剖面的環(huán)流強(qiáng)度，這說明入?yún)R角變大會使交匯處的環(huán)流強(qiáng)度加大，但由于中層水流方向已不像底層水流明顯，故疊加效果會有所減弱，致使強(qiáng)度有所減小。

0.2 H處的彎道交匯區(qū)域下的環(huán)流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表6所示。從表格中的數(shù)據(jù)可以看出，在水深底層，彎道進(jìn)水口斷面2和3，環(huán)流強(qiáng)度較小且均由凹岸流向凸岸；在斷面4處環(huán)流強(qiáng)度達(dá)到最大值0.8，這比45°時對應(yīng)的環(huán)流強(qiáng)度要大，說明入?yún)R角的改變對環(huán)流強(qiáng)度有一定影響。在斷面4處，靠近凸岸的測點(diǎn)強(qiáng)度值要遠(yuǎn)大于靠近凹岸垂線的強(qiáng)度值，主要是因?yàn)榭v向流速Vx隨著半徑的增大逐漸增大，徑向流速Vy隨著半徑的增大而減小。除了斷面5的垂線4、5、6外，其他斷面上的垂線方向都發(fā)生了改變，隨著流線逐漸彎曲，環(huán)流強(qiáng)度沿程逐漸變大，在斷面7處達(dá)到頂點(diǎn)隨后又減小趨于平穩(wěn)。

表5 60°入?yún)R角下環(huán)流強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(0.4 H)

表6 60°入?yún)R角下環(huán)流強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(0.2 H)

4 結(jié) 論

環(huán)流強(qiáng)度的大小與支流入?yún)R角密切相關(guān)。當(dāng)入?yún)R角變大時，支流對主流的頂托作用加強(qiáng)，使交匯處的環(huán)流強(qiáng)度加大。隨著入?yún)R角變大，入?yún)R口下游出現(xiàn)環(huán)流環(huán)度的最值斷面逐漸向下移動，在入?yún)R角為45°時，入?yún)R口下游出現(xiàn)環(huán)流強(qiáng)度的最值斷面是6；在入?yún)R角為60°時，入?yún)R口下游出現(xiàn)環(huán)流強(qiáng)度的最值斷面是7且在靠近凹岸處。因此，要對入?yún)R口下游的凹岸處適當(dāng)位置加以防護(hù)。

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Study on the influence of confluence angle on the bend circulation strength under the condition of curve intersection

LI Da

(LiaoningRenzhongwatersupplyCo.,Ltd.，Shenyang110166，China)

This study is based on the research results of the confluence flow characteristics under the condition of curve intersection at home and abroad.The tests were carried out after the flume test model was designed and built.With Doppler Current meter and other instruments,we analyzed the influence of the confluence angle on the circulation strength. The results can provide references for the analysis of river bed evolution and the establishment of river regulation measures.

curve intersection; model test ; circulation strength; inflow angle

李 達(dá)(1989-)，男，遼寧葫蘆島人，助理工程師， 主要從事輸水工程調(diào)度運(yùn)行管理工作。E-mail:zd17we@163.com。

P343.1

A

2096-0506(2017)02-0039-05