臂坡對(duì)堰槽組合設(shè)施紊流結(jié)構(gòu)影響試驗(yàn)研究

廖偉 張維樂(lè) 王文娥 王坤 鞏朝 王芳芳

摘要：堰槽組合設(shè)施在山區(qū)河流流量監(jiān)測(cè)中具有很大優(yōu)勢(shì)，臂坡作為其關(guān)鍵形狀參數(shù)，可以調(diào)節(jié)堰槽組合設(shè)施內(nèi)水動(dòng)力特性，改變堰后泥沙沉積分布和下游沖刷形態(tài)。為進(jìn)一步探索臂坡對(duì)堰槽組合設(shè)施水流紊動(dòng)特性的影響，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，分析不同臂坡、來(lái)流強(qiáng)度及底坡因素影響下的底層水流特性變化，探究流速、紊動(dòng)能、床面切應(yīng)力等參數(shù)分布規(guī)律，揭示堰槽組合設(shè)施運(yùn)行過(guò)程中水流能量耗散及沖刷機(jī)理。研究結(jié)果表明：臂坡影響流量的橫向分布，臂坡增大加劇水流聚中，使兩側(cè)堰后水流下切回流增強(qiáng)，增加溯源沖刷風(fēng)險(xiǎn);臂坡和底坡增大導(dǎo)致堰后兩側(cè)紊動(dòng)強(qiáng)度及紊動(dòng)能增大，加劇了堰下水流能量耗散，有效提高了設(shè)施的消能率;相比雷諾切應(yīng)力法，設(shè)施后床面剪切應(yīng)力計(jì)算更適合采用修正紊動(dòng)能法且床面剪切應(yīng)力較大值主要集中在兩側(cè)堰后區(qū)域;大尺度渦結(jié)構(gòu)主要集中在排淤量水槽出口兩側(cè)，而其他渦區(qū)分布在兩側(cè)堰后區(qū)域。

關(guān)鍵詞：堰槽組合;臂坡;溯源沖刷;水流結(jié)構(gòu);紊動(dòng);渦旋

中圖分類(lèi)號(hào)：TV135

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2023）03-0465-15

收稿日期：2022-07-27;網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-03-29

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥kns.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20230329.0834.002.html

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52079113）;江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（BK20190142）

作者簡(jiǎn)介：廖偉（1994—），男，四川德陽(yáng)人，博士研究生，主要從事工程水力學(xué)研究。E-mail：875517412@qq.com

通訊作者：張維樂(lè)，E-mail：1833305149@qq.com

堰槽組合設(shè)施以灌區(qū)量水槽和克倫普堰為基礎(chǔ)，利用量水堰、量水槽的穩(wěn)定水位—流量關(guān)系，在保證較高測(cè)流精度及測(cè)流范圍的同時(shí)，還能滿(mǎn)足生態(tài)功能要求，在山區(qū)河流流量監(jiān)測(cè)中具有較大優(yōu)勢(shì)［1-6］。當(dāng)堰槽組合設(shè)施在山區(qū)河道中修建和運(yùn)行時(shí)，堰前和堰后區(qū)域的水流結(jié)構(gòu)將直接影響泥沙淤積分布和下游沖刷形態(tài)［7-8］，改變生態(tài)環(huán)境的演變。此外，在汛期泄洪期間，河道流量突增，會(huì)造成堰后不同程度的沖刷破壞，形成溯源沖刷［9］，影響堰槽組合設(shè)施的測(cè)流精度。因此，研究大流量下堰槽組合設(shè)施的底層水流結(jié)構(gòu)，分析堰槽組合設(shè)施的堰后沖刷、泥沙淤積及能量擴(kuò)散等問(wèn)題，可為堰槽組合測(cè)流設(shè)施的工作性能及體型優(yōu)化提供一定的理論參考，對(duì)堰槽組合測(cè)流設(shè)施在山區(qū)季節(jié)性河流中的推廣應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

臂坡作為堰體形狀的關(guān)鍵影響因素，可以控制主流，改變過(guò)堰流量的橫向分布，影響水流對(duì)兩側(cè)坡腳的掏刷［10-12］。Li等［13］研究表明，V型堰臂坡改變了下游湍動(dòng)能水平分布，并指出兩臂夾角在60°～120°之間適宜魚(yú)類(lèi)通過(guò)；馬立等［14］通過(guò)對(duì)比矩形淹沒(méi)式矮堰和帶上游堰坡的淹沒(méi)式矮堰試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)上游堰坡僅能增加下游渾水沖刷深度的振蕩頻率，并可以有效減少矮堰上游渾水沖刷深度；Baki等［15］通過(guò)數(shù)值模擬，為堆石堰的設(shè)計(jì)提供了有效池間距、河床坡度、堰高、臂角和堰布置的建議，并指出臂角大于60°適合魚(yú)類(lèi)通過(guò)。目前，關(guān)于量水槽和攔水堰的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究較多，但二者研究相對(duì)獨(dú)立，對(duì)于堰槽組合設(shè)施的水力特性研究卻較少，特別是設(shè)施后底層水流結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)還不足。因此，為了確保安全設(shè)計(jì)并維持河道的穩(wěn)定性，需進(jìn)一步探究底層水流結(jié)構(gòu)對(duì)堰后沖刷機(jī)理的影響。

本文針對(duì)不同臂坡、底坡、來(lái)流強(qiáng)度等條件，對(duì)堰槽組合測(cè)流設(shè)施進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析底層水流的三維時(shí)均流速、紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾切應(yīng)力、紊動(dòng)能、2種床面切應(yīng)力以及渦旋的分布規(guī)律，旨在為堰槽組合體型比選及應(yīng)用提供理論參考。

1?堰槽組合試驗(yàn)概況

1.1?水槽系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由供水系統(tǒng)、變坡升降系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、智能控制終端、穩(wěn)水段、矩形試驗(yàn)水槽、尾水閥門(mén)和尾水池組成。其中，玻璃試驗(yàn)水槽長(zhǎng)1 800 cm，寬80 cm，高60 cm;供水系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定目標(biāo)流量來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制進(jìn)水流量;變坡升降系統(tǒng)可根據(jù)目標(biāo)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)角度設(shè)定，控制精度±0.1 mm;電磁流量計(jì)測(cè)量范圍為0～200 L/s，流量精度為±2%。三維流速采用超聲多普勒流速儀（ADV）測(cè)量，頻率為100 Hz，3D下視探頭，探頭直徑為6 cm，精度為±1 mm/s，采樣空間距離探頭距離為5 cm，根據(jù)不同的流速大小調(diào)整ADV的測(cè)速范圍。將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在距排淤量水槽進(jìn)口40 cm的中軸線上，按照右手法則，將水槽的縱向流速方向設(shè)置為x軸（縱向），水槽的橫剖面方向?yàn)閥軸（橫向），沿水深垂向方向設(shè)置為z軸（垂向）;試驗(yàn)水槽橫向?qū)挾葹锽，水深為H。

1.2?堰槽組合體型參數(shù)與試驗(yàn)方案

以臂坡為0的堰槽組合設(shè)施作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)模型，參照平坦V型堰設(shè)計(jì)規(guī)范以及U型堆石堰結(jié)構(gòu)參數(shù)［16-17］，設(shè)計(jì)了不同臂坡（W）的堰槽組合設(shè)施。該設(shè)施由克倫普堰和排淤量水槽組成，整個(gè)堰槽組合設(shè)施中兩側(cè)堰體長(zhǎng)度與排淤量水槽寬度（2b）比為1∶1∶1，隔墻厚度為s，隔墻高度為d，體型參數(shù)見(jiàn)圖1和表1。

本試驗(yàn)將流速測(cè)點(diǎn)平面區(qū)域劃分成3個(gè)區(qū)域，共453個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2。堰槽組合前U形區(qū)域Ⅰ，布設(shè)138個(gè)測(cè)點(diǎn);排淤量水槽錐形區(qū)域Ⅱ，布設(shè)120個(gè)測(cè)點(diǎn);堰槽組合后矩形區(qū)域Ⅲ，布設(shè)195個(gè)測(cè)點(diǎn)。垂向測(cè)點(diǎn)布置在距離水槽底部1 cm范圍內(nèi)，對(duì)靠近堰槽組合設(shè)施模型區(qū)域和排淤量水槽內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行了測(cè)點(diǎn)加密。試驗(yàn)以流量Qflow（30、45和60 L/s）、底坡S（0°、0.25°和0.5°）和側(cè)堰臂坡（0、1/16和1/8）3種變量組成了7組試驗(yàn)工況（表2）。設(shè)施在山區(qū)河流中受到汛期來(lái)流特點(diǎn)影響，常在堰后沖刷形成自然堆石，造成下游壅水?；诖?，本試驗(yàn)將下游淹沒(méi)度統(tǒng)一設(shè)置成0.9，如表2。待水流穩(wěn)定后開(kāi)始采樣，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間取50 s，共采集5 000個(gè)瞬時(shí)流速值（u、v、w）。

1.3?流速數(shù)據(jù)處理

ADV流速測(cè)量中信噪比（RSN）和相關(guān)系數(shù)（r）是反映數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的重要參數(shù)，一般認(rèn)為RSN>15 dB、70%≤r≤100%時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)基本可靠。但在湍流強(qiáng)度較大或水中氣泡摻混較多條件下，平均速度可以選擇最小相關(guān)度30%進(jìn)行計(jì)算，而紊動(dòng)特性分析最小可以選擇相關(guān)度40%進(jìn)行計(jì)算，信噪比選擇平均值15 dB［18］。本試驗(yàn)中RSN均大于20 dB，外界噪音干擾很小，但堰后由于存在跌水現(xiàn)象，水中摻混了一定的氣泡，因此，制定2種數(shù)據(jù)篩分標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)水流較平穩(wěn)的區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ，最小相關(guān)度選擇85%，平均信噪比選擇15 dB;而對(duì)于水流氣泡摻混比較大的區(qū)域Ⅲ，最小相關(guān)度選擇60%，平均信噪比選擇15 dB。篩分掉不合格的數(shù)據(jù)，并采用插值法得到合格的數(shù)據(jù)點(diǎn)。為了得到最終可靠的數(shù)據(jù)，去除時(shí)間序列中由于干擾產(chǎn)生的尖峰值，本文選擇了速度閾值法和濾波法做進(jìn)一步篩分。

2?結(jié)果及分析

2.1?時(shí)均流速分布

2.1.1?區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ

圖3（a）為工況2條件下縱向流速（u）和平面速度（u、v）矢量分布圖;圖3（b）和圖3（c）分別為工況2下左側(cè)堰前區(qū)域縱向流速（u）和垂向流速（w）分布圖。

整體上，流速呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布。由圖3（a）和圖3（b）可知，在區(qū)域Ⅰ內(nèi)水槽中間流速略大于兩側(cè)，當(dāng)兩側(cè)水流不斷流向克倫普堰時(shí)，縱向流速不斷減小，且下降速率逐漸增大。而圖3（c）呈現(xiàn)出兩側(cè)垂向流速增加速率逐漸增大，這說(shuō)明當(dāng)兩側(cè)水流不斷流向克倫普堰時(shí)，底層流速受到克倫普堰阻礙，縱向流速急劇減小，縱向上的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成垂向上的動(dòng)能，與上層水流摻混后翻越克倫普堰堰頂，在堰后形成負(fù)流速區(qū)。在區(qū)域Ⅱ內(nèi)，水流受到排淤量水槽側(cè)壁的擠壓，流速逐漸增大，在出口處達(dá)到最大值。圖3（a）表明區(qū)域Ⅰ內(nèi)速度矢量基本保持平行，沒(méi)有明顯方向改變，堰槽組合前水流平穩(wěn)滿(mǎn)足量水測(cè)點(diǎn)選取要求;區(qū)域Ⅱ矩形段內(nèi)的速度矢量保持平行，當(dāng)水流進(jìn)入收縮段時(shí)，速度矢量出現(xiàn)聚中現(xiàn)象，最終在窄段內(nèi)速度矢量恢復(fù)到平行狀態(tài)。

2.1.2?區(qū)域Ⅲ

當(dāng)排淤量水槽和兩側(cè)克倫普堰同時(shí)過(guò)流時(shí)，水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為便于分析其水流結(jié)構(gòu)，根據(jù)水流對(duì)堰后底部的沖擊形式，將水下淹沒(méi)射流近似看作附壁射流和沖擊射流2種。量水槽排出水流受河床底部限制，平行且緊貼壁面進(jìn)行流動(dòng)，對(duì)下游河床產(chǎn)生切應(yīng)力，形成附壁射流區(qū)域（圖4）。在附壁射流中，流速在立面上表現(xiàn)為雙層非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，可分為近壁流區(qū)和邊界層外延區(qū)，本文主要測(cè)量的是近壁流區(qū)內(nèi)的流速?？藗惼昭哐呱纤餮刂称拢?∶5）流出，對(duì)堰后一定距離范圍形成沖擊，可近似看成沖擊射流。因此，克倫普堰堰上過(guò)流可劃分成附壁射流區(qū)1、沖擊射流區(qū)和附壁射流區(qū)2等3個(gè)區(qū)域（圖5）。在附壁射流區(qū)1中，水流會(huì)沿著克倫普堰頂部壁面流動(dòng)，與外部水流發(fā)生摻混，形成卷吸現(xiàn)象。水流進(jìn)入沖擊射流區(qū)時(shí)，射流邊界向兩側(cè)擴(kuò)散，在接觸河床底部時(shí)，流動(dòng)方向迅速改變，形成較大的速度梯度以及壓力梯度，易造成河床底部沖刷。同時(shí)由于堰后壁面和中軸射流區(qū)存在，限制了射流向四周擴(kuò)散，與周?chē)w發(fā)生摻混，形成三維方向上的環(huán)流和負(fù)流區(qū)域，形成溯源沖刷破壞。

圖6為不同工況下區(qū)域Ⅲ底部縱向流速分布，由圖6可知，中軸射流區(qū)縱向流速大于兩側(cè)流速，且在兩側(cè)堰后出現(xiàn)明顯負(fù)流速區(qū)。由圖6（a）—圖6（c）和表3（Ax為區(qū)域Ⅲ底部負(fù)流速面積，A為區(qū)域Ⅲ面積）可知，隨著臂坡增大，中軸射流區(qū)長(zhǎng)度逐漸增大，堰后縱向負(fù)流速區(qū)面積逐漸減小。這是由于臂坡增大導(dǎo)致水流聚中加劇，從而中軸射流區(qū)縱向流速增大帶動(dòng)兩側(cè)水流，減小負(fù)流速區(qū)面積。由圖6（d）—圖6（f）和表3可知，隨著流量增大，縱向負(fù)流速區(qū)面積也呈現(xiàn)出逐漸減小趨勢(shì)。由圖6（g）—圖6（i）和表3可知，隨著底坡增大，中軸射流區(qū)長(zhǎng)度及寬度均增大，相比臂坡和底坡變化的影響，縱向負(fù)流速區(qū)面積變化較小，但負(fù)流速絕對(duì)值增大。這是由于底坡增大，導(dǎo)致水流動(dòng)能增加，從而附壁射流得以快速擴(kuò)散，致使沖擊射流區(qū)域增大。

由圖7可見(jiàn)堰后出流的2個(gè)典型特征：① 兩側(cè)堰下主要為垂向負(fù)流速區(qū)域（向下）且表現(xiàn)為聚集現(xiàn)象，聚集點(diǎn)出現(xiàn)在排淤量水槽和克倫普堰相交軸線上，距克倫普堰約1/8B處;② 排淤量水槽出口中軸垂向流速主要為正向流速（向上）。從圖7（a）—圖7（c）和表3知，臂坡增大，垂向負(fù)流速區(qū)域面積先增加后減小，其流速絕對(duì)值減小，而中軸區(qū)垂向正流速值隨著臂坡增大而增大。從圖7（d）—圖7（f）和表3知，隨著流量增大，垂向負(fù)流速區(qū)域面積變化規(guī)律與臂坡變化呈現(xiàn)一致，但垂向流速絕對(duì)值卻逐漸增大，聚集點(diǎn)從兩側(cè)邊壁移動(dòng)到量水槽出口兩側(cè)區(qū)域，而中軸區(qū)垂向正流速區(qū)域面積隨著流量增大而減小。從圖7（g）—圖7（i）和表3知，垂向負(fù)流速區(qū)域面積隨著底坡增大而先減小后增大，聚集點(diǎn)也隨著底坡增大并向兩側(cè)邊壁移動(dòng)，垂向絕對(duì)流速值增大;中軸區(qū)垂向正流速區(qū)域面積隨著底坡增大而增大，其流速值也增大。

綜上，臂坡通過(guò)改變堰上過(guò)流流量的橫向分布，導(dǎo)致更多水流在堰頂前流入排淤量水槽內(nèi)，致使堰頂過(guò)流量減少。因此，中軸區(qū)域產(chǎn)生更多上揚(yáng)水流，而兩側(cè)下切水流減少。底坡增大給堰頂水流提供更多動(dòng)能，使水流在克倫普背坡面滑行距離更遠(yuǎn)，致使下切水流的聚集點(diǎn)向后推移。

2.2?紊動(dòng)強(qiáng)度

紊動(dòng)強(qiáng)度是天然河流中紊動(dòng)性能的一個(gè)基本參數(shù)［19］，在一定程度上表征著堰后沖刷區(qū)域分布，通常用脈動(dòng)流速的均方根來(lái)表示：

式中：σu、σv、σw分別為縱向、橫向和垂向的紊動(dòng)強(qiáng)度;ui、vi、wi分別為3個(gè)方向的瞬時(shí)流速；ui、vi、wi分別為3個(gè)方向的時(shí)均流速;N為采樣個(gè)數(shù)。

2.2.1?縱向紊動(dòng)強(qiáng)度

圖8為不同工況下區(qū)域Ⅲ底部縱向紊動(dòng)強(qiáng)度分布。由圖8可知，縱向紊動(dòng)強(qiáng)度較大值均分布在中軸射流區(qū)兩側(cè)，而較小值集中在中軸射流區(qū)內(nèi)。結(jié)合圖6可知，中軸射流區(qū)內(nèi)流速分布較為均勻，且發(fā)生紊動(dòng)摻混和卷吸較少，所以紊動(dòng)強(qiáng)度較小;而在中軸射流區(qū)兩側(cè)流速變化梯度較大，發(fā)生紊動(dòng)摻混和卷吸嚴(yán)重，導(dǎo)致紊動(dòng)強(qiáng)度較大。由圖8（a）—圖8（c）和表4可知，隨著臂坡增大，中軸射流區(qū)的流量和流速均增大，帶動(dòng)兩側(cè)流速較小的水流，并卷吸更多兩側(cè)水流進(jìn)行摻混，致使中軸射流區(qū)兩側(cè)和尾部的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大。由圖8（d）—圖8（f）和表4可知，隨著流量增大，底部紊動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，可以推斷出較小流量時(shí)，河流底部水流紊動(dòng)劇烈，而隨著流量增大，水流的主要摻混可能轉(zhuǎn)移到水流中部或者頂部。由圖8（g）—圖8（i）和表4可知，隨著底坡增大，底部縱向紊動(dòng)強(qiáng)度增大，并在中軸射流區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)紊動(dòng)強(qiáng)度極大值的聚集區(qū)域且分布呈現(xiàn)出間歇性地向兩側(cè)擴(kuò)散。

2.2.2?橫向紊動(dòng)強(qiáng)度

圖9為不同工況下區(qū)域Ⅲ底部橫向紊動(dòng)強(qiáng)度分布。由圖9可知，橫向紊動(dòng)強(qiáng)度分布規(guī)律與縱向紊動(dòng)強(qiáng)度分布具有一定的相似性，但橫向紊動(dòng)強(qiáng)度總體上比縱向紊動(dòng)強(qiáng)度值小。在小流量下，橫向紊動(dòng)強(qiáng)度分布形狀比縱向紊動(dòng)強(qiáng)度分布形狀更具有規(guī)律性且較大值主要聚集在渠道兩側(cè);隨著流量增大，較大值向交界帶（中軸射流區(qū)與兩側(cè)射流區(qū)交界的區(qū)域定義為交界帶）區(qū)域靠近。在較大底坡下，橫向紊動(dòng)強(qiáng)度沒(méi)有出現(xiàn)間歇性極大值區(qū)域，而主要集中在兩側(cè)堰后區(qū)域。

2.3?紊動(dòng)能

紊動(dòng)能（ETK）是一種可以用來(lái)表征紊流強(qiáng)度的參數(shù)［20］，能夠較為直觀地反映出水流整體的紊動(dòng)狀況，同時(shí)在能量轉(zhuǎn)換和傳遞中起重要作用，其表達(dá)式為

式中：u′、v′、w′分別表示縱向、橫向、垂向上的脈動(dòng)流速。

圖10為不同工況下區(qū)域Ⅲ底部紊動(dòng)能分布。由圖10可知，受到兩側(cè)二次環(huán)流影響，紊動(dòng)能較大值均出現(xiàn)在交界帶和兩側(cè)堰后沖擊區(qū)域內(nèi)，由于中軸射流區(qū)內(nèi)水流不受二次環(huán)流影響，與周?chē)w摻混較弱，所以紊動(dòng)能較小值主要集中在中軸射流區(qū)。由圖10（a）—10（c）可知，隨著臂坡增大，兩側(cè)堰后區(qū)域內(nèi)的紊動(dòng)能增大且較大值區(qū)域也增大;兩側(cè)臂坡增大導(dǎo)致排淤量水槽內(nèi)排出的流量增大，致使與兩側(cè)水流發(fā)生劇烈摻混，此時(shí)時(shí)均流速動(dòng)能在交界帶與兩側(cè)水流發(fā)生動(dòng)量傳遞，轉(zhuǎn)化成紊動(dòng)能;但伴隨著摻混時(shí)形成的渦旋，會(huì)不斷帶動(dòng)紊動(dòng)能向兩側(cè)和上部區(qū)域擴(kuò)散，導(dǎo)致兩側(cè)較大紊動(dòng)能值分布區(qū)域擴(kuò)大。由圖10（d）—10（f）可知，隨著流量增大，有一個(gè)先減小后增大的趨勢(shì)，且在小流量工況下，底部產(chǎn)生紊動(dòng)能最大值。由圖10（g）—10（i）可知，在底坡較小工況下，紊動(dòng)能較大值主要分布在交界帶和兩側(cè)邊壁區(qū)域內(nèi);但隨著底坡增大，堰后兩側(cè)沖擊區(qū)紊動(dòng)能整體增大。結(jié)合圖6可知，底坡增大導(dǎo)致底部流速增大，促進(jìn)了紊動(dòng)能產(chǎn)生和擴(kuò)散。

2.4?渦旋

研究堰后渦結(jié)構(gòu)，有助于理解底部附近能量消耗和傳遞過(guò)程，更好判別堰后沖刷區(qū)域位置。Q準(zhǔn)則［21］是一種比較常用的渦旋捕捉方法，正值表示為流場(chǎng)渦張量超過(guò)應(yīng)變率張量的區(qū)域，Q值越大，此處的流體旋轉(zhuǎn)速度越大，渦量（即渦旋強(qiáng)度）也就越大，因此本文采用Q準(zhǔn)則對(duì)二維渦旋進(jìn)行識(shí)別分析。王芳芳［22］通過(guò)分析流體的能量耗散與渦量之間的關(guān)系，指出不可壓縮流體中動(dòng)能耗散率與流體中渦量絕對(duì)值的大小直接相關(guān)，單位體積內(nèi)渦量絕對(duì)值越大，動(dòng)能耗散率越高。

圖11為Q準(zhǔn)則方法下識(shí)別出的底部渦旋結(jié)構(gòu)分布圖。由圖11可知，強(qiáng)渦區(qū)（渦旋強(qiáng)度值相對(duì)較大區(qū)域）主要集中在排淤量水槽出口兩側(cè)，而其他渦區(qū)分布在兩側(cè)堰腳，其中小尺度渦結(jié)構(gòu)散落在交界帶附近。當(dāng)水流以較大速度流出量水槽時(shí)，受到邊界突擴(kuò)和兩側(cè)堰頂沖擊水流的干擾，在排淤量水槽兩側(cè)不斷產(chǎn)生較大尺度的渦結(jié)構(gòu);同樣堰頂流出水流受到底部和兩側(cè)邊壁限制，也會(huì)不斷產(chǎn)生較大尺度的渦結(jié)構(gòu)。大尺度渦受到外界和渦體內(nèi)部之間的拉伸作用，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生不同大小的小尺度渦體，向下游傳遞。結(jié)合圖10可知，具有較大能量的大尺度渦體，通過(guò)能量串級(jí)的方式將自身能量傳遞到小尺度渦體中，這種自身破解傳遞方式會(huì)將能量傳遞到末級(jí)渦體中。當(dāng)最小尺度渦體的能量不足以克服自身的黏性作用時(shí)，機(jī)械能就會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能消耗掉，這也充分說(shuō)明了堰槽組合具有一定的消能作用。由圖11（a）—11（c）可知，隨著臂坡增大，排淤量水槽流出的水流流速增大，加劇了與兩側(cè)水流之間碰撞和摻混，因此導(dǎo)致出口兩側(cè)的Q值增大，產(chǎn)生更大的渦體。由圖11（d）—11（f）可知，最大Q值出現(xiàn)在較小流量工況下，這說(shuō)明在較小流量下，河床底部的水流之間碰撞和摻混程度更高，隨著流量增大，這種碰撞和摻混過(guò)程可能轉(zhuǎn)移到其他部位，所以在大流量下底部Q值有所減小。由圖11（g）—11（i）可知，隨著底坡增大，排淤量水槽出口兩側(cè)Q值增大，且渦體數(shù)量也增多。結(jié)合圖6可知，因?yàn)榈灼略龃?，?dǎo)致下游流速增大，增強(qiáng)了出口水流與兩側(cè)水體的摻混，并將破裂產(chǎn)生的小尺度渦體迅速擴(kuò)散到下游。

2.5?床面剪切應(yīng)力

在河流的研究中，床面剪切應(yīng)力是連接水流特征和動(dòng)床沖刷的一個(gè)重要參數(shù)，一定程度可以預(yù)測(cè)動(dòng)床沖刷規(guī)律。當(dāng)河床底部附近擾動(dòng)波或時(shí)間序列結(jié)構(gòu)以及水流內(nèi)部所產(chǎn)生的床面切應(yīng)力大于Shields剪切應(yīng)力后，床面就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)。但在堰后沖刷水流結(jié)構(gòu)中，由于水流條件復(fù)雜，床面切應(yīng)力變化與水流流速以及紊動(dòng)參數(shù)變化是相互作用關(guān)系，所以無(wú)法直接準(zhǔn)確獲得床面切應(yīng)力值。因此，前人們提出了常見(jiàn)6種床面切應(yīng)力的計(jì)算方法：平均切應(yīng)力法、對(duì)數(shù)率估測(cè)法、流速二次法、雷諾應(yīng)力法、紊動(dòng)能法和修正紊動(dòng)能法?；谟?jì)算方法的適用條件，本文采用了雷諾應(yīng)力法和修正紊動(dòng)能法［23］進(jìn)行了對(duì)比。

2.5.1?雷諾應(yīng)力法

雷諾切應(yīng)力是由紊流液體質(zhì)點(diǎn)相互混摻而引起的附加切應(yīng)力。圖12為采用雷諾應(yīng)力法計(jì)算得到的區(qū)域Ⅲ床面剪切應(yīng)力1（τb1）分布。由圖12可知，床面剪切應(yīng)力1較大值主要集中在交界帶上，而床面剪切應(yīng)力1極小值主要出現(xiàn)在中軸射流區(qū)內(nèi)。結(jié)合圖6可知，中軸射流區(qū)水流帶動(dòng)兩側(cè)水流流速增大，導(dǎo)致在交界帶上形成很大的速度梯度，這就說(shuō)明了為什么床面剪切應(yīng)力1最大值主要集中在交界帶上。由圖12（a）—圖12（c）可知，隨著臂坡增大，交界帶上的床面剪切應(yīng)力1值逐漸增大且較大值分布面積也逐漸增大。由圖12（d）—圖12（f）可知，在小流量時(shí)，在交界帶上沒(méi)有出現(xiàn)明顯極大值聚集帶，隨著流量增大，交界帶上的床面剪切應(yīng)力1逐漸增大且極大值出現(xiàn)在交界帶首部。由圖12（g）—圖12（i）可知，隨著底坡增大，床面剪切應(yīng)力1逐漸增大，交界帶長(zhǎng)度加長(zhǎng)且極大值點(diǎn)從首部轉(zhuǎn)移到中部。

2.5.2?修正紊動(dòng)能法

修正紊動(dòng)能法是一種只基于垂向脈動(dòng)流計(jì)算床面剪切應(yīng)力2（τb2）的方法。圖13為修正紊動(dòng)能法計(jì)算得到的堰后床面剪切應(yīng)力2分布。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，床面剪切應(yīng)力2較大值主要分布在兩側(cè)堰下區(qū)域，而不只是在交界帶上。由圖13（a）—圖13（c）可知，隨著臂坡增大，兩側(cè)床面剪切應(yīng)力2增大，較大值分布面積也逐漸增大。由圖13（d）—圖13（f）可知，在較小流量下，出現(xiàn)床面剪切應(yīng)力2較大值聚集點(diǎn)，分布在距離堰槽組合堰后，隨著流量增大，這些聚集點(diǎn)消失，在交界帶和兩側(cè)區(qū)域形成聚集區(qū)。由圖13（g）—圖13（i）可知，底坡增大，兩側(cè)床面剪切應(yīng)力2增大，較大值分布轉(zhuǎn)移擴(kuò)散到兩側(cè)中心區(qū)域，底坡變化對(duì)床面剪切應(yīng)力分布影響顯著。

通過(guò)2種床面剪切應(yīng)力算法對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)雷諾應(yīng)力法計(jì)算得到的床面剪切應(yīng)力1明顯大于修正紊動(dòng)能法計(jì)算得到床面剪切應(yīng)力2，這是由于垂向脈動(dòng)流速值遠(yuǎn)小于縱向脈動(dòng)流速值導(dǎo)致而成。同時(shí)2種方法得到的床面剪切應(yīng)力分布規(guī)律也不一致，床面剪切應(yīng)力1主要分布在交界帶上，以條形帶分布為主；而床面剪切應(yīng)力2主要分布在兩側(cè)堰下區(qū)域，以連片塊狀分布為主。結(jié)合實(shí)際工程運(yùn)行情況，相比中軸附壁射流的沖刷，兩側(cè)堰下的跌水沖刷更具有破壞力，此時(shí)切應(yīng)力使用垂向脈動(dòng)分量表示更為準(zhǔn)確［22］。因此，采用修正紊動(dòng)能法計(jì)算堰后床面剪切應(yīng)力更為合適。

3?結(jié)?論

本文針對(duì)不同臂坡的堰槽組合量水設(shè)施開(kāi)展了一系列試驗(yàn)，研究了臂坡、水流強(qiáng)度、底坡等因素對(duì)堰槽組合設(shè)施后的底層水流結(jié)構(gòu)和紊動(dòng)特性的影響，主要結(jié)論如下：

（1）?根據(jù)射流形式，將堰槽組合設(shè)施后的淹沒(méi)出流劃分成附壁射流區(qū)域和堰后的沖擊射流區(qū)域，其中沖擊射流區(qū)域易發(fā)生溯源沖刷破壞。

（2） 臂坡增大導(dǎo)致量水槽出口射流流速增大，表現(xiàn)為水流上揚(yáng);而兩側(cè)堰下產(chǎn)生明顯回流，表現(xiàn)為水流下切。

（3） 臂坡和底坡增大均導(dǎo)致底部?jī)蓚?cè)紊動(dòng)強(qiáng)度、床面剪切應(yīng)力、紊動(dòng)能值增大，加劇了兩側(cè)堰下水流的能量耗散及堰后沖刷，有效提高了設(shè)施的消能率。

（4） 相比雷諾應(yīng)力法，設(shè)施后床面剪切應(yīng)力計(jì)算更適合采用修正紊動(dòng)能法，且床面剪切應(yīng)力較大值主要集中在兩側(cè)堰后沖擊區(qū)域。

（5）?強(qiáng)渦區(qū)主要出現(xiàn)在排淤量水槽出口兩側(cè)，而其他渦區(qū)分布在兩側(cè)堰后區(qū)域，其中小尺度渦結(jié)構(gòu)散落在交界帶附近。

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Abstract：The weir-flume combination facility is advantageous for flow monitoring in mountainous areas.The sediment distribution behind the weir and the downstream erosion can be affected by arm slope owing to the changes in the hydrodynamic characteristics of the weir-flume combination facility.To further explore the influence of arm slope on the flow turbulence characteristics of the weir-flume combination facility，the bottom flow characteristics under different flow rates，bottom slope，and arm slope were analyzed based on the hydraulic performance test.The distribution law of velocity，turbulence kinetic energy，and bed surface shear stress were obtained，and the mechanism of flow energy dissipation and erosion was revealed during the operation.The research results show that the arm slope affects the lateral flow distribution.The increase in arm slope causes the water flow to be concentrated in the middle，and the flow behind the weirs on both sides is strengthened，which increases the risk of retrogressive scour.Compared with the Reynolds shear stress method，the modified turbulent kinetic energy method is more suitable for calculating the bed surface shear stress behind the facility.The larger values of the bed surface shear stress are mainly concentrated in the area behind the weir on both sides.Large-scale vortex structures are mainly focused on both sides of the flume outlet，while other vortex areas are distributed in the area behind the weir on both sides.The increase in the arm slope and bottom slope leads to an increase in turbulent intensity and turbulent energy on both sides behind the weir，which intensifies the energy dissipation of the water flow under the weir and effectively improves the energy dissipation rate of the facility.

Key words：weir-flume combination;arm slope;retrogressive scour;flow measurement;turbulent fluctuation;eddy