楊 磊,鄭 靜,方勇生,詹青文

(1.武漢大學水資源與水電工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430072;2.湖北省咸寧市水利局,湖北 咸寧 437100;3.江西省水利規(guī)劃設計院,江西 南昌 330029)

在水利水電工程建設中,河道截流占有十分重要的位置,截流的成敗直接關系到工程建設的進度和造價,因此截流常被作為工程建設中的關鍵工序和里程碑。20世紀30年代至60年代,前蘇聯(lián)學者C.B.伊茲巴斯和K.L.盧賓斯坦對大江大河平堵截流的理論和計算方法進行了充分的研究,打下了施工導流、截流、圍堰工程理論研究的基礎。20世紀60年代以來,立堵截流逐步代替了平堵截流,并且由單戧堤立堵截流發(fā)展到雙戧堤截流、多戧堤截流以及寬戧堤截流。1992年,肖煥雄[1]編著了《施工水力學》,對水利水電工程施工中的主要水力學問題進行了全面系統(tǒng)的研究。在隨后幾年內(nèi),結(jié)合長江三峽工程3次截流的實施,鄭守仁[2]、王光謙等[3]、周厚貴等[4]、戴會超等[5]、夏仲平[6]、楊文俊等[7]、金忠青等[8]、鐘登華等[9]、劉發(fā)全[10]對截流過程中的關鍵技術(shù)、深水截流過程中的戧堤坍塌、施工過程的可視化仿真以及雙戧堤截流等問題進行了深入的理論和試驗研究。

現(xiàn)階段對寬戧堤龍口水流特性以及截流機理的研究并不是特別充分,以往報道的國外研究主要有1956年美國Dalles工程76 m寬戧堤截流以及1958年Oahe工程182～273 m寬戧堤截流。根據(jù)截流試驗研究成果,戧堤加寬后,龍口水流沿程損失增加,龍口前壅水高度和分流量增大,從而減小了龍口流量,降低了龍口流速。另外,戧堤加寬后,不僅從水力條件上改善了截流條件,而且從施工實施上提高了截流拋投強度,有利于控制和減少拋投截流材料的流失。肖煥雄等[11]進行了多組寬戧堤截流模型試驗,提出寬戧堤截流中龍口水面線流態(tài)變化與戧堤寬度和總水頭之比有關,給出了龍口上下游落差的推導方法,并認為寬戧堤龍口流量系數(shù)是河床束窄度和寬高比的函數(shù)。任春秀等[12]針對不同地形、地質(zhì)以及分流條件下的寬戧堤截流進行了模型試驗研究,比較了寬戧堤截流與單戧堤和雙戧堤截流的難易程度,初步研究了寬戧堤截流進占拋投方式以及降低截流難度的措施。王繼保等[13]采用平面二維淺水方程對寬淺河谷單戧立堵截流進行數(shù)學模型試驗,通過對截流時的分流流量變化以及戧堤進占過程中戧堤中軸線流速和上下游水位落差變化,探討了立堵截流中戧堤的寬度效應。

根據(jù)現(xiàn)階段對寬戧堤截流的認識,以及對寬戧堤截流龍口的水力指標、水流形態(tài)等方面的初步研究和分析,得出寬戧堤能降低截流難度的結(jié)論。寬戧堤截流的適用條件、截流過程中水流運動的變化規(guī)律、戧堤頂寬的選擇以及寬度效應分析等關系到截流工程能否順利實施的科學問題都是值得研究的課題。為更加深入地探討寬戧堤截流的機理,筆者擬通過模型試驗,進一步研究寬戧堤截流過程中龍口水流運動的變化規(guī)律,為截流方案的設計和實施提出新思路和理論依據(jù)。

1 模型設計

1.1 模型規(guī)劃

由于工程水流邊界條件復雜多變,水流三維特性強烈,結(jié)構(gòu)復雜,給寬戧堤截流相似模擬增加了難度。根據(jù)科學研究的一般規(guī)律,先研究最基本的情況:一定的綜合糙率、平底坡河床、矩形斷面水槽,從不同寬戧堤寬度的定床試驗成果中得出寬戧堤截流的一般規(guī)律。

1.2 模型尺寸

根據(jù)試驗研究的目的、內(nèi)容和要求,以及模型試驗的相似理論,試驗按重力相似準則設計成定床、整體、正態(tài)模型,即采用Fr相似條件。綜合考慮場地的限制條件、模型制作的方便以及試驗工作的便利等因素,經(jīng)計算分析比較,模型選用的長度比尺為1∶80,由此得到模型流量比尺為1∶52743.34,流速比尺為1∶8.94,糙率比尺為1∶2.07。最終試驗場地為長6.0m、寬1.0m的混凝土矩形水槽,水槽高0.3m,槽底坡度i=0,水槽綜合糙率為0.011～0.016。模型中擬定戧堤上游面坡度為1∶2.0,下游面坡度為1∶1.25,龍口進占前沿邊坡坡度為 1∶1.5,上、下游面和龍口進占前沿邊坡之間以母線為1/4橢圓的扭面相連,左右岸戧堤對稱布置。由于模型中槽底坡度為零,故河道下游水位未加控制。模型布置示意圖見圖1。

圖1 戧堤布置示意圖(單位:m)

1.3 模型試驗方案

制定模型試驗方案時主要考慮以下機理指標:寬戧堤的寬度、河道來流量、龍口底寬等要素。根據(jù)試驗任務的要求,設計了4種工況。各工況對應戧堤寬度分別為25m,50m,65m,80m;龍口底寬均為20m;河道來流量分別為 1500m3/s,2500m3/s,3500m3/s,4236 m3/s(當戧堤寬度為25m時,增加1個河道來流量數(shù)據(jù):1000m3/s)。

1.4 模型控制與測量方法

擬定流速測點布置方案時,考慮到水槽中有兩種斷面,一種為非龍口斷面,這種斷面形狀規(guī)則,每隔0.5m進行測量(將樁號起點位置設在戧堤寬度中心距離水槽進口3 m處,試驗過程中修改戧堤寬度時均為向上下游加長,如圖1所示);另一種為龍口斷面,需要施測的點較多,在戧堤坡腳斷面、挑角斷面、龍口軸線斷面等進行布點測量。水面線測點分布同流速測點分布,并在龍口區(qū)域加密。

模型試驗采用恒定流試驗方法,用電磁流量計控制模型流量,堰上水頭用精度為0.1mm的測針量測。采用長江科學院研制的CF9901型微電腦流速儀測量各測點的流速及流向,沿程水位采用固定測針測量。

2 模型試驗成果

2.1 水面線特性

模型試驗水面線如圖2所示,橫坐標為水流方向的樁號,縱坐標為河道水位。圖中龍口范圍為圍堰上下游坡腳線之間的距離。

圖2 模型試驗水面線

定義寬高比(B/H0)為戧堤寬度和龍口前總水頭的比值。由圖2可知,龍口范圍內(nèi)水面線形態(tài)隨B/H0的變化規(guī)律如下:①當B/H0＜3.1時,龍口類似于無底坎寬頂堰,水流流態(tài)與寬頂堰流態(tài)相似,過堰水流由于受到側(cè)向束縮,過水斷面減小,局部阻力增大,上游水位壅高,進入龍口區(qū)域后,水面下降,一直到出龍口區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的一次性跌落,稱為單降。②當3.1≤B/H0≤5.7時,當戧堤寬度增大之后,束窄部分沿河道很長,龍口內(nèi)水流流態(tài)類似于明渠非均勻漸變流[14],進龍口區(qū)域處有一次水面跌落,進入龍口區(qū)域后,水流猶如在明槽中漸變流動,水面線下降緩慢,趨于水平,在即將出龍口區(qū)域處由于擴散作用,水面再次下降,呈現(xiàn)出2次水面跌落,稱為雙降。③當B/H0＞5.7時,整個龍口區(qū)域內(nèi)的水流仍然是雙降的水面流態(tài),但其中部區(qū)域水面線斜率開始逐漸變大,水面線有了變陡的趨勢,即龍口水面線由雙降逐漸變?yōu)樾甭瘦^小的單降。

2.2 龍口區(qū)域流速

由于篇幅有限,僅對模型試驗各工況從上游坡腳線至下挑角45°斷面之間的區(qū)域中軸線上的垂線平均流速(表1)進行分析。

對表1進行分析,得出龍口區(qū)域流速變化規(guī)律如下:①龍口流量相同時,隨著戧堤寬度的增大,流速有變小的趨勢,尤其是龍口中下部斷面表現(xiàn)得十分明顯。例如,B=65m,Q=4236m3/s時,樁號0+00.00m斷面的流速為10.20m/s,龍口出口斷面的流速為10.73 m/s;相同流量下 B=80m時,樁號0+00.00m斷面的流速為9.81 m/s,龍口出口斷面的流速為10.03 m/s。其原因在于戧堤寬度加長,龍口中下部斷面與龍口入口斷面的距離也隨之加長,從而導致沿程損失增加,流速變小。②各種工況下龍口區(qū)域第二、第三流速測試斷面分別代表上挑角45°和上挑角60°斷面。雖然這2個斷面相隔很近,但是流速梯度比其他各相鄰斷面都大。由圖2可以看出,上游壅水最高點在龍口進口斷面處,該斷面之后水面急劇下降,故第二、第三流速測試斷面之間的水頭差很大,使得二者之間的速度差很大。同時表明龍口區(qū)域上挑角附近為截流難度最大的部位。③當B/H0＜5.7時,龍口內(nèi)流速隨著戧堤的加長而變小,此為戧堤寬度效應的表現(xiàn),例如 B=65m,B/H0=3.57,Q=4236m3/s時,上挑角45°斷面的平均流速為3.31 m/s,龍口軸線斷面的平均流速為10.20m/s;B=80m,B/H0=4.57,Q=4236m3/s時,上挑角45°斷面的平均流速為2.89 m/s,龍口軸線斷面的平均流速為9.81m/s;而當B/H0＞5.7時,流速變小的趨勢開始減弱甚至出現(xiàn)流速不減小反而增大的現(xiàn)象。這說明當 B/H0大于一定值之后,戧堤的寬度效應對流速的影響減弱直至沒有影響。

表1 模型試驗龍口區(qū)域中軸線垂線平均流速

3 寬度效應初步分析

戧堤寬度效應,一般是指戧堤寬度增加導致龍口前壅水增高、龍口內(nèi)水流流速降低、截流難度降低的現(xiàn)象。截流中人們很關心上挑角處的流速變化規(guī)律,為了研究寬戧堤截流的寬度效應,以上挑角45°斷面平均流速和龍口軸線斷面平均流速的比值v a/v z作為因變量,來分析其他因素對寬度效應的影響。由試驗數(shù)據(jù)可以得出各實測參數(shù)如表2所示。

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由表2可以看出:在同一龍口流量下,隨著戧堤寬度的增加,va/vz均先降低后升高,表明在該流量下,應有一個最適宜的戧堤寬度使上挑角的流速最小、截流難度最低;在同一戧堤寬度下,隨著流量的增加,v a/v z變化受水深影響變化較大,呈現(xiàn)不規(guī)則變化,因此,引入無量綱參數(shù)B/H0來分析其影響程度。va/vz隨B/H0的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出:當 B/H0＜3.1時,戧堤寬度增加不足以引起寬度效應的產(chǎn)生,龍口流態(tài)類似無底坎寬頂堰流,寬度增加對流速影響不明顯,va/vz變化不大;當3.1≤B/H0≤5.7時,隨著戧堤寬度的增加,龍口內(nèi)的沿程損失增加,導致龍口前壅水增高,龍口內(nèi)水流類似明渠非均勻流,流速降低,va/vz降低較明顯,寬度效應較顯著;當B/H0＞5.7后,龍口內(nèi)沿程損失的增加對流速變化的影響變得不明顯,va/vz有上升趨勢,寬度效應不太明顯。

圖3 模型試驗實測 va/vz隨 B/H0的變化曲線

4 結(jié) 論

寬戧堤截流當寬高比B/H0小于3.1時,龍口區(qū)域沒有寬度效應,水面線呈現(xiàn)單降;當3.1≤B/H0≤5.7時,龍口沿程損失增加,寬度效應明顯,龍口水流從寬度不足的寬頂堰流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊髑u變非均勻流流態(tài),水面線由一次降落的形態(tài)變?yōu)檫M入龍口時水面線降落一次、在龍口中部水面線較平緩、出龍口時水面線再次下降的形態(tài),水面流態(tài)呈雙降,且龍口內(nèi)流速降低;當B/H0＞5.7時,戧堤的寬度效應減弱,龍口內(nèi)沿程損失的增加部分對總的能量損失影響不大,水面形態(tài)變化由雙降逐漸變?yōu)閱谓?寬戧堤的寬度效應減弱并變得不明顯,流速也由變小的趨勢變?yōu)樽兇?龍口中部水面線由平緩變?yōu)橛幸欢ǖ钠露?。因此可以得出在一定的條件下(3.1≤B/H0≤5.7)寬戧堤的確能夠降低截流難度的結(jié)論。

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