趙小娥,鐘 杰,劉興年,王協(xié)康

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,四川成都 610065)

U形彎道建閘對水流運動特性的影響試驗

趙小娥,鐘 杰,劉興年,王協(xié)康

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,四川成都 610065)

試驗研究在U形彎道上建閘后水流運動特性的變化,結(jié)果表明彎道設(shè)閘使彎道不同位置凹岸、凸岸及中線水位產(chǎn)生顯著差異,從而導(dǎo)致水面橫比降變緩、水流動力軸線變光滑、流速分布變均勻,為深入分析建閘后彎道水流特性及建閘對泥沙運動、河床演變等的影響研究提供借鑒。

彎道水流;建閘;水面橫比降;水流動力軸線

天然河流幾乎都是彎曲的,彎道可以看成是組成河流的最基本單元[1]。國內(nèi)外大量學(xué)者對彎道特有的水流運動、河床演變規(guī)律進行了廣泛的研究,這些研究成果已應(yīng)用于水利樞紐布置,河道、航道整治,取、排水口選址以及碼頭、港口建設(shè)等領(lǐng)域中。關(guān)于如何利用彎道水流運動特性使其對工程有利,一些學(xué)者進行了試驗和理論研究:陳樹容[2]通過模型試驗研究了化州市江邊攔河水閘凸岸電站的引水防沙問題;張海光[3]針對華安水電站工程,借助水工模型試驗,研究水電站取水口處于彎道河段的多孔攔河閘的水力特性,以確定多孔攔河閘啟閉泄洪優(yōu)化方案;徐國賓[4]根據(jù)最小能耗率理論對引水彎道進行了優(yōu)化設(shè)計;馬有國等[5]在研究彎道環(huán)流強度及泥沙運動規(guī)律的基礎(chǔ)上,得到了彎道環(huán)流強度的判別數(shù)和人工彎道式取水樞紐的水力設(shè)計準(zhǔn)則。此外,國內(nèi)外學(xué)者也對如何改變彎道水流運動特性進行了詳細(xì)的研究。郭維東等[6]通過對彎道內(nèi)有、無丁壩2種工況下的水流特性進行系統(tǒng)試驗研究,分析了丁壩對彎道水流流態(tài)的影響;周陽[7]通過模型試驗分析了丁壩對彎道自由水面形態(tài)、縱向流速分布、縱向紊動強度分布的影響;Fazli等[8]研究了在90°彎道上設(shè)丁壩時丁壩附近的水流流場和水流沖刷情況;Jia等[9]分析了彎道水下堰的水流特性,并對水流運動進行數(shù)值模擬研究。由此可知,對于如何利用彎道水流和如何改變彎道水流,國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的試驗研究和理論分析,但是對于在彎道上建閘或壩對彎道水流運動特性的影響研究相對較少,如對建閘后水流動力軸線變化、縱向流速分布影響等的研究尚不多見。筆者基于強彎道(U形彎道)試驗測試對比分析了彎道建閘前后水流特性的變化規(guī)律,為深入研究彎道水利工程建設(shè)對水沙運動特性的影響及其災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗概況

U形平底緩斜面彎道水槽(水槽坡降i=0.005)由水泥漿抹面制作,寬為68cm,深為30cm,試驗段由2個800cm的順直段和1個內(nèi)徑為80cm、外徑為148cm的半圓組成,一共布置試驗測試斷面25個,每個斷面按等寬布置5條測速垂線,順直段各斷面的間距為50cm,彎道段各斷面相鄰夾角為15°,沿水深方向按等深布置3個測點,供水系統(tǒng)為自循環(huán)系統(tǒng),見圖1。5孔平底平板閘門每孔凈寬12cm,閘墩長20cm,中墩寬均為2 cm。中墩墩頭為半圓弧形,墩尾為圓弧曲線。閘室與彎道等底等高(均為30cm)。閘門刀口向下。整個閘室橫向長68 cm,縱向長20cm,可整體沿河槽縱向移動。試驗進口流量控制為59.9L/s,用測壓管測各斷面上的凹岸、凸岸及中心線上的水位,用矩形堰測流量,用LGY-Ⅲ型多功能智能流速儀和新型光電式流速旋漿傳感器(旋漿直徑為12mm,起動流速小于或等于1cm/s,精度為0.01cm/s)測垂線縱向流速,用三點法計算垂線平均流速。無閘門和有閘門2種工況下水深分別為6.5～13.8cm,9.0～15.0cm;流速分別為27.72～99.40cm/s,51.72～85.64cm/s;床面曼寧粗糙系數(shù)n均為0.011。水流經(jīng)過由矩形量水堰和進水設(shè)備組成的首部設(shè)備進入水槽。進水設(shè)備借光滑的喇叭口與水槽相連,水槽中流出來的水則流入實驗室的水庫內(nèi)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 水面橫比降

圖2反映了無閘門和有閘門2種工況下平均橫比降的變化。由圖2可知,在彎道上設(shè)閘時整體水面橫比降要比不設(shè)閘時的水面橫比降小,且有閘時水面橫比降變化要平緩些。這主要是因為彎道出口處的閘門對彎道水流有一定的壅水作用,在一定程度上調(diào)平了彎道上的水面橫比降。圖3為無閘門和有閘門2種工況下中線水面線的比較,結(jié)果表明靠近閘門的地方水面線相差最大,距離閘門越遠(yuǎn),相差越小;在彎道進口(距閘門最遠(yuǎn)處)無閘門和有閘門時的水面線最接近,說明閘門對彎道水面線的影響在彎道進口處幾乎消失。

表1 閘門各孔口的水深和流速

圖1 U形彎道水槽示意圖(單位:cm)

2.2 水流動力軸線

水流動力軸線是沿程各斷面最大垂線平均流速所在點的連接線,又稱主流線。圖5為無閘門和有閘門時的水流動力軸線。在相同的流量下,無閘門和有閘門時的水流動力軸線在彎道進口段偏靠凹岸,進入彎道后逐漸向凸岸過渡,在彎道出口段又轉(zhuǎn)向凹岸。根據(jù)彎曲型河流上水流動力軸線具有低水傍岸、大水走中泓的規(guī)律,此流量應(yīng)是比較大的流量。無閘門下水流頂沖點在6號斷面處,有閘門下的水流頂沖點稍向下移;在無閘門情況下的16號斷面處也發(fā)生了水流頂沖。

圖2 無閘門和有閘門下的橫比降

圖3 無閘門和有閘門下的中線水面線

圖4 設(shè)閘門后中線、凸岸及凹岸HR的變化

圖5 無閘門和有閘門時的水流動力軸線

定義水流動力軸線偏離系數(shù)a為凹岸縱向垂線平均流速ˉu凹與凸岸縱向垂線平均流速ˉu凸的比值。當(dāng)a＞1.0時,表明主流線偏向凹岸;a＜1.0時,主流線偏向凸岸;a=1.0時,主流線居中[10]。圖6為a沿程變化曲線,無閘門時a在15號斷面以前均小于1.0,表示主流線偏向凸岸。而設(shè)閘之后a變化很明顯,在入彎前a＞1.0,主流線偏向凹岸;入彎后,a＜1.0,表示主流向凸岸轉(zhuǎn)移;過了彎頂,a值增大且接近于1.0,表明過彎頂后閘門前的彎道水流由于閘門的調(diào)節(jié)作用已趨于均勻。

圖6 水流動力軸線偏離系數(shù)a沿程的變化

從水流動力軸線的總體曲率變化可知,有閘門時的水流動力軸線要比無閘門時的平緩、光滑。這主要是因為建閘后由于閘門的擋水作用使閘前水流出現(xiàn)壅水現(xiàn)象,影響到整個彎道的水流,從而改變了水流流速的大小及其分布。

2.3 縱向流速沿橫向的分布

圖7為無閘門和有閘門時的彎道縱向流速分布。由圖7可知,在進口段無閘門時流速橫向分布比較均勻,中間大,兩側(cè)小;有閘門時流速橫向分布與無閘門時流速分布大致相同。在彎頂上段,無閘門凸岸的流速增大,凹岸保持較小的流速;有閘門時凹岸和凸岸的流速都在增加,流速的橫向分布較均勻。在彎頂下段,無閘門工況在15～17號斷面間水流發(fā)生折沖;而有閘門工況由于18號斷面處閘門的阻擋作用,從13號斷面水流就開始偏向凹岸,閘門前的17號斷面處凹岸流速明顯大于凸岸流速。

圖7 無閘門和有閘門時的彎道縱向流速分布

3 結(jié) 論

a.彎道上建閘將使彎道不同位置凹岸、凸岸及中線水位產(chǎn)生顯著差異,其中對凸岸水面的壅水影響最大,其次為中線水面和凹岸水面。

b.彎道出口處的閘門對整個彎道的水面橫比降有一定的影響,使橫比降變化曲線變平、變緩;閘門對彎道水面的壅水作用隨著與閘距離的增大不斷減小,一般到彎道進口處就幾乎消失。

c.彎道出口處的閘門使水流動力軸線變平滑,縱向流速的橫向分布更均勻,且在靠近閘門處流速偏向凹岸。

[1]錢寧,張仁,周志德.河床演變學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1987.

[2]陳樹容.布置于凸岸的江邊村攔河閘電站引水防沙試驗研究[J].人民珠江,2005(4):29-30.

[3]張海光.多孔攔河閘壩泄洪方案水力特性研究[J].水力科技,2007(3):37-39.

[4]徐國賓.彎道式引水樞紐中彎道的優(yōu)化設(shè)計[J].泥沙研究,1992(3):65-69.

[5]馬有國,周素真.彎道環(huán)流在取水防沙中的作用[J].農(nóng)田水利與水電,1993(2):34-38.

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Experimental study on influences of sluice construction in a U-shape bend on characteristics of flow motion

ZHAO Xiao-e,ZHONG Jie,LIU Xing-nian,WANG Xie-kang(State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering,Sichuan University,Chengdu610065,China)

The characteristics of flow motion in a U-shape bend after a sluice constructionwere studied through flume experiments.The experimental results show that there are obvious changes of water levels at the convex and concave sides and the center line of the bend before and after constructing a sluice.It results in gentle transverse gradient of water surface,smooth dynamic axis of flows and uniform distribution of flow velocity.It is in favor of deeply analyzing the characteristics of flows in bends with sluice construction as well as the influences on sediment motion and riverbed evolution,etc.

bend flow;sluice construction;transverse gradient of water surface;dynamic axis of flow

TV66

A

1006-7647(2010)03-0047-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2010.03.012

國家自然科學(xué)基金(40771022;50739002)

趙小娥(1986—),女,陜西渭南人,碩士研究生,從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究。E-mail:zhaoxiaoe@126.com

book=57,ebook=262

2009-03-01 編輯:高建群)