非對(duì)稱進(jìn)口來(lái)流溢洪道滑行水流阻力特性研究

余 勇

(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830001)

溢洪道常布置于埡口或岸邊，需考慮水文地質(zhì)、巖體特性及地形結(jié)構(gòu)因素給泄洪帶來(lái)的不利影響[1]。布設(shè)溢洪道進(jìn)口段時(shí)部分工程地形曲折，地勢(shì)不理想，致使水體流動(dòng)、來(lái)流偏轉(zhuǎn)形式復(fù)雜[2]。因此，綜合考慮開(kāi)挖方量、地形地質(zhì)等特點(diǎn)，充分認(rèn)識(shí)溢洪道地質(zhì)形式，對(duì)建筑物的穩(wěn)定安全運(yùn)行有著重要的意義。丁壩被用于河灘圍墾和整治航道等工程中，具有保護(hù)河岸、控導(dǎo)主流的作用，但缺少在彎道急流中的應(yīng)用，現(xiàn)有河道的丁壩研究也不能直接應(yīng)用于溢洪道彎道工程中。蔣露[3]將丁壩前后的水流運(yùn)動(dòng)劃分了多個(gè)區(qū)域，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析了水流結(jié)構(gòu)；杜明松等[4]對(duì)丁壩的水力特性進(jìn)行了研究，并推導(dǎo)出丁壩動(dòng)水壓力公式，得出不同壓縮比及糙率下的壓強(qiáng)分布規(guī)律；李文峰[5]在位山溢洪道的研究中指出，泄槽轉(zhuǎn)彎處設(shè)丁壩對(duì)彎道流態(tài)的改善有顯著效果，得到了各運(yùn)行工況下脈動(dòng)壓強(qiáng)規(guī)律及時(shí)均壓強(qiáng)分布。文章研究丁壩參數(shù)對(duì)溢洪道水力特性的影響及變化規(guī)律，以期為透水丁壩在溢洪道中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由出水渠道、模型實(shí)驗(yàn)區(qū)、進(jìn)水渠道、穩(wěn)流柵、閘閥、高位水池、地下水庫(kù)等部分組成[5- 6]。在實(shí)驗(yàn)區(qū)布置透水丁壩，進(jìn)行流速和水深的測(cè)量[7]。丁壩面積和透水性是影響彎道水流的調(diào)節(jié)效果主要因素，因此主要研究參數(shù)為丁壩的長(zhǎng)度、高度以及透水率[8]。實(shí)驗(yàn)方案如下[9- 10]：設(shè)計(jì)單寬流量為100～300m2/h，丁壩長(zhǎng)度分別為160、220、280mm，丁壩高度分別為50、75、100mm，丁壩透水率分別為15.5%、25.5%、35.5%。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

彎道水面改善效果通過(guò)彎道水面均勻度和彎道最大水面橫比降進(jìn)行評(píng)價(jià)，彎道最大水面橫比降越小，表明改善效果越好[11]。計(jì)算公式如下[12- 13]：

(1)

式中，n—水深測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；Ci—第i個(gè)橫斷面的水面均勻度；hij—第i個(gè)橫斷面第j個(gè)測(cè)點(diǎn)的水深；mi—第i個(gè)橫斷面的水深平均值。

(2)

式中，B—彎道橫斷面的寬度；hit—第i個(gè)橫斷面的凸岸水深；hia—第i個(gè)橫斷面的凹岸水深；Jmax—彎道最大水面橫比降。

2 結(jié)果與分析

2.1 丁壩參數(shù)對(duì)彎道水面的影響

不同丁壩長(zhǎng)度條件下彎道水面均勻度，見(jiàn)表 1。由此可以看出，相同單寬流量狀態(tài)下，無(wú)丁壩布置的彎道水面均勻度均小于有丁壩狀態(tài)。隨著丁壩長(zhǎng)度L的增大(160～280mm)，彎道水面均勻度不斷增大。從整體來(lái)看，在各種單寬流量狀態(tài)下，無(wú)丁壩布置的彎道最大水面橫比降均小于有丁壩狀態(tài)，且隨著丁壩長(zhǎng)度的增大，最大水面橫比降不斷減小。丁壩越長(zhǎng)，彎道水面的改善狀況越好，彎道水面均勻度的提升程度越大，彎道最大水面橫比降的減小程度也越大。在透水率和丁壩高度一定的條件下，丁壩長(zhǎng)度的增加對(duì)水面均勻度和彎道最大水面橫比降的改善效果越好。

表1 丁壩長(zhǎng)度對(duì)彎道水面均勻度的影響 單位：%

丁壩高度對(duì)彎道水面均勻度的影響，見(jiàn)表 2。從整體來(lái)看，各種單寬流量狀態(tài)下，與無(wú)丁壩狀態(tài)相比，不同高度E丁壩布置的彎道水面均勻度均較大。而最大水面橫比降均小于無(wú)丁壩狀態(tài)，且隨著丁壩高度的增大而不斷減小。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除單寬流量100m2/h外，隨著丁壩高度的增大，彎道水面均勻度不斷增加。表明單寬流量較小時(shí)，丁壩高度與彎道水面改善效果的線性關(guān)系并不明顯。經(jīng)分析，這主要是流量較小時(shí)丁壩布置斷面并未完全淹沒(méi)，導(dǎo)致透水效果減弱。

表2 丁壩高度對(duì)彎道水面均勻度的影響 單位：%

不同高度丁壩的彎道水面均勻度提升率，如圖 1 所示，丁壩越高，彎道水面的改善狀況越好，水面均勻度提升程度越大，即彎道水面的改善狀況越好。其中，單寬流量為150m2/h時(shí)，三種丁壩高度的水面均勻度提升率分別為17.82%、24.67%、27.64%。

圖1 丁壩高度對(duì)彎道水面均勻度提升率的影響

透水率對(duì)彎道水面均勻度的影響，見(jiàn)表3。由此可以看出，無(wú)丁壩布置的彎道水面均勻度均小于不同透水率丁壩狀態(tài)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著丁壩透水率的減小，彎道水面均勻度不斷增大。丁壩透水率越小，彎道水面的改善狀況越好，且丁壩透水率對(duì)彎道水面均勻度的改善程度相近。在工程設(shè)計(jì)中，P=15.5%和P=25.5%兩種透水率對(duì)水面均勻度的影響相對(duì)較小，同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)誤差的因素，再減小透水率已經(jīng)沒(méi)有實(shí)際意義。

表3 丁壩透水率對(duì)彎道水面均勻度的影響 單位：%

丁壩透水率對(duì)彎道水面均勻度提升率的曲線，如圖 2 所示。當(dāng)丁壩高度和長(zhǎng)度一定時(shí)，減小丁壩透水率對(duì)彎道水面均勻度的改善效果比較明顯，透水率越小，水面均勻度改善效果也越好。在各種單寬流量狀態(tài)下，無(wú)丁壩布置的最大水面橫比降均大于不同透水率丁壩狀態(tài)。在一定范圍內(nèi)，隨著丁壩透水率的減小，最大水面橫比降不斷減小。值得注意的是，丁壩透水率為25.5%和15.5%時(shí)，對(duì)彎道水面的改善狀況近似，彎道最大水面橫比降的減小程度相差較小。

圖2 丁壩透水率對(duì)彎道水面均勻度提升率的曲線

2.2 丁壩參數(shù)對(duì)彎道流速的影響

丁壩長(zhǎng)度對(duì)縱斷面沿程流速分布的影響，見(jiàn)表4。與無(wú)丁壩狀態(tài)相比，布置丁壩后，左岸、中間各橫斷面流速均顯著降低。整體來(lái)看，0～4斷面流速沿程不斷降低，丁壩布置區(qū)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，丁壩越長(zhǎng)，丁壩布置區(qū)波動(dòng)越劇烈，最后在6～8斷面上升。同時(shí)隨著丁壩長(zhǎng)度的增大，0～5斷面流速在減小。在斷面丁壩布置區(qū)出現(xiàn)流速低點(diǎn)，且第一個(gè)流速最低點(diǎn)出現(xiàn)在5斷面。彎道離心力作用使無(wú)丁壩布置時(shí)右岸斷面處于無(wú)流速狀態(tài)。布置丁壩后，右岸各橫斷面流速沿程增加，且丁壩布置區(qū)波動(dòng)不大。

表4 丁壩長(zhǎng)度對(duì)縱斷面的沿程流速分布的影響 單位：cm/s

對(duì)于靠近丁壩的中間和左岸2個(gè)縱斷面，縱向流速沿程先降低，流速最低點(diǎn)出現(xiàn)在第1或第2個(gè)丁壩布置處；隨丁壩長(zhǎng)度的增加，各斷面縱向流速不斷降低，丁壩布置區(qū)后縱向流速沿程上升。對(duì)于遠(yuǎn)離丁壩的右岸縱斷面，其縱向流速沿程上升。隨著丁壩長(zhǎng)度的增大，丁壩布置區(qū)橫斷面縱向流速不斷減小，在布置丁壩后的斷面丁壩長(zhǎng)度對(duì)流速的影響較小。

丁壩高度對(duì)縱斷面的沿程流速分布的影響，見(jiàn)表 5。無(wú)丁壩布置時(shí)，中間、左岸斷面縱向流速沿程增加，布置丁壩后，3個(gè)橫斷面流速均有所降低。整體來(lái)看，0～4斷面流速降低明顯，且在丁壩布置區(qū)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，最后6～8斷面沿程流速顯著上升。對(duì)比來(lái)看，丁壩布置區(qū)隨著丁壩高度增大其沿程流速不斷減小，流速最低點(diǎn)出現(xiàn)在第1個(gè)或第2個(gè)丁壩布置處。對(duì)于遠(yuǎn)離丁壩的右岸縱斷面，以第2個(gè)丁壩布置處為界，隨著丁壩高度的增加，丁壩前斷面的縱向流速不斷減小，丁壩后斷面的縱向流速不斷增大。

表5 丁壩高度對(duì)縱斷面的沿程流速分布的影響 單位：cm/s

丁壩透水率對(duì)縱斷面的沿程流速分布的影響，見(jiàn)表 6。可以看出，隨著丁壩透水率的減小，丁壩布置區(qū)橫斷面縱向流速不斷減小，流速最低點(diǎn)出現(xiàn)在第1或第2丁壩布置處?？拷蔚闹虚g、左岸斷面的縱向流速沿程先降低，丁壩布置區(qū)出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，丁壩布置區(qū)后縱向流速沿程不斷上升。而遠(yuǎn)離丁壩的右岸斷面縱向流速沿程不斷上升，其中丁壩透水率對(duì)右岸縱向流速影響較小。

表6 丁壩透水率對(duì)縱斷面的沿程流速分布的影響 單位：cm/s

選用q=300m2/h進(jìn)行橫向流速分析，j代表橫向流速測(cè)點(diǎn)距彎道底板的垂直距離，j<0表明該點(diǎn)流速方向由凹岸指向凸岸，j>0表明流速方向由凸岸指向凹岸。丁壩參數(shù)對(duì)彎道橫向流速的影響，見(jiàn)表 7。由此可以看出，橫向流速的絕對(duì)值隨著丁壩長(zhǎng)度的增加不斷增大。丁壩高度為50mm時(shí)，橫向流速絕對(duì)值最大；隨著丁壩高度和丁壩透水率的增加，橫向流速的絕對(duì)值不斷減小。丁壩高度為75mm時(shí)，橫向流速絕對(duì)值最?。?.01m水平面上的流速均小于0，方向由凹岸指向凸岸，表明此處為底流區(qū)，0.03～0.05m水平面上的流速均大于0，流速方向由凸岸指向凹岸，認(rèn)為此處為表流邊界區(qū)?？傮w來(lái)看，橫向流速j<0時(shí)為底流區(qū)；橫向流速j>0時(shí)為表流區(qū)，隨著水深的增加，流速不斷減小。

表7 丁壩參數(shù)對(duì)彎道橫向流速的影響

3 結(jié)論

溢洪道承擔(dān)著維護(hù)工程穩(wěn)定、疏浚泄洪的作用。通過(guò)水工模型試驗(yàn)，對(duì)非對(duì)稱進(jìn)口來(lái)流溢洪道滑行水流阻力特性進(jìn)行了研究。布置丁壩后，彎道水面橫比降減小，水面均勻度提升。小流量時(shí)，不適合采用過(guò)高的丁壩，隨著透水率的減小及丁壩高度、長(zhǎng)度的增加，最大水面橫比降減小，水面均勻度增加，丁壩前斷面縱向流速降低。丁壩長(zhǎng)度和透水率的變化對(duì)丁壩后斷面流速的影響較小，但丁壩高度的增加會(huì)導(dǎo)致縱向流速的增大。總體來(lái)看，橫向流速小于0時(shí)為底流區(qū)；橫向流速大于0時(shí)為表流區(qū)，且隨著水深的增加流速不斷減小。最佳丁壩透水率為15.5%，長(zhǎng)度為B/2，高度為4B/25。研究結(jié)果可為溢洪道工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供技術(shù)與理論支撐。