U形弯道建闸对水流运动特性的影响试验

赵小娥,钟 杰,刘兴年,王协康

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都 610065)

U形弯道建闸对水流运动特性的影响试验

赵小娥,钟 杰,刘兴年,王协康

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都 610065)

试验研究在U形弯道上建闸后水流运动特性的变化,结果表明弯道设闸使弯道不同位置凹岸、凸岸及中线水位产生显著差异,从而导致水面横比降变缓、水流动力轴线变光滑、流速分布变均匀,为深入分析建闸后弯道水流特性及建闸对泥沙运动、河床演变等的影响研究提供借鉴。

弯道水流;建闸;水面横比降;水流动力轴线

天然河流几乎都是弯曲的,弯道可以看成是组成河流的最基本单元[1]。国内外大量学者对弯道特有的水流运动、河床演变规律进行了广泛的研究,这些研究成果已应用于水利枢纽布置,河道、航道整治,取、排水口选址以及码头、港口建设等领域中。关于如何利用弯道水流运动特性使其对工程有利,一些学者进行了试验和理论研究:陈树容[2]通过模型试验研究了化州市江边拦河水闸凸岸电站的引水防沙问题;张海光[3]针对华安水电站工程,借助水工模型试验,研究水电站取水口处于弯道河段的多孔拦河闸的水力特性,以确定多孔拦河闸启闭泄洪优化方案;徐国宾[4]根据最小能耗率理论对引水弯道进行了优化设计;马有国等[5]在研究弯道环流强度及泥沙运动规律的基础上,得到了弯道环流强度的判别数和人工弯道式取水枢纽的水力设计准则。此外,国内外学者也对如何改变弯道水流运动特性进行了详细的研究。郭维东等[6]通过对弯道内有、无丁坝2种工况下的水流特性进行系统试验研究,分析了丁坝对弯道水流流态的影响;周阳[7]通过模型试验分析了丁坝对弯道自由水面形态、纵向流速分布、纵向紊动强度分布的影响;Fazli等[8]研究了在90°弯道上设丁坝时丁坝附近的水流流场和水流冲刷情况;Jia等[9]分析了弯道水下堰的水流特性,并对水流运动进行数值模拟研究。由此可知,对于如何利用弯道水流和如何改变弯道水流,国内外学者进行了大量的试验研究和理论分析,但是对于在弯道上建闸或坝对弯道水流运动特性的影响研究相对较少,如对建闸后水流动力轴线变化、纵向流速分布影响等的研究尚不多见。笔者基于强弯道(U形弯道)试验测试对比分析了弯道建闸前后水流特性的变化规律,为深入研究弯道水利工程建设对水沙运动特性的影响及其灾害防治提供科学依据。

1 试验概况

U形平底缓斜面弯道水槽(水槽坡降i=0.005)由水泥浆抹面制作,宽为68cm,深为30cm,试验段由2个800cm的顺直段和1个内径为80cm、外径为148cm的半圆组成,一共布置试验测试断面25个,每个断面按等宽布置5条测速垂线,顺直段各断面的间距为50cm,弯道段各断面相邻夹角为15°,沿水深方向按等深布置3个测点,供水系统为自循环系统,见图1。5孔平底平板闸门每孔净宽12cm,闸墩长20cm,中墩宽均为2 cm。中墩墩头为半圆弧形,墩尾为圆弧曲线。闸室与弯道等底等高(均为30cm)。闸门刀口向下。整个闸室横向长68 cm,纵向长20cm,可整体沿河槽纵向移动。试验进口流量控制为59.9L/s,用测压管测各断面上的凹岸、凸岸及中心线上的水位,用矩形堰测流量,用LGY-Ⅲ型多功能智能流速仪和新型光电式流速旋浆传感器(旋浆直径为12mm,起动流速小于或等于1cm/s,精度为0.01cm/s)测垂线纵向流速,用三点法计算垂线平均流速。无闸门和有闸门2种工况下水深分别为6.5～13.8cm,9.0～15.0cm;流速分别为27.72～99.40cm/s,51.72～85.64cm/s;床面曼宁粗糙系数n均为0.011。水流经过由矩形量水堰和进水设备组成的首部设备进入水槽。进水设备借光滑的喇叭口与水槽相连,水槽中流出来的水则流入实验室的水库内。

2 试验结果及分析

2.1 水面横比降

图2反映了无闸门和有闸门2种工况下平均横比降的变化。由图2可知,在弯道上设闸时整体水面横比降要比不设闸时的水面横比降小,且有闸时水面横比降变化要平缓些。这主要是因为弯道出口处的闸门对弯道水流有一定的壅水作用,在一定程度上调平了弯道上的水面横比降。图3为无闸门和有闸门2种工况下中线水面线的比较,结果表明靠近闸门的地方水面线相差最大,距离闸门越远,相差越小;在弯道进口(距闸门最远处)无闸门和有闸门时的水面线最接近,说明闸门对弯道水面线的影响在弯道进口处几乎消失。

表1 闸门各孔口的水深和流速

图1 U形弯道水槽示意图(单位:cm)

2.2 水流动力轴线

水流动力轴线是沿程各断面最大垂线平均流速所在点的连接线,又称主流线。图5为无闸门和有闸门时的水流动力轴线。在相同的流量下,无闸门和有闸门时的水流动力轴线在弯道进口段偏靠凹岸,进入弯道后逐渐向凸岸过渡,在弯道出口段又转向凹岸。根据弯曲型河流上水流动力轴线具有低水傍岸、大水走中泓的规律,此流量应是比较大的流量。无闸门下水流顶冲点在6号断面处,有闸门下的水流顶冲点稍向下移;在无闸门情况下的16号断面处也发生了水流顶冲。

图2 无闸门和有闸门下的横比降

图3 无闸门和有闸门下的中线水面线

图4 设闸门后中线、凸岸及凹岸HR的变化

图5 无闸门和有闸门时的水流动力轴线

定义水流动力轴线偏离系数a为凹岸纵向垂线平均流速¯u凹与凸岸纵向垂线平均流速¯u凸的比值。当a＞1.0时,表明主流线偏向凹岸;a＜1.0时,主流线偏向凸岸;a=1.0时,主流线居中[10]。图6为a沿程变化曲线,无闸门时a在15号断面以前均小于1.0,表示主流线偏向凸岸。而设闸之后a变化很明显,在入弯前a＞1.0,主流线偏向凹岸;入弯后,a＜1.0,表示主流向凸岸转移;过了弯顶,a值增大且接近于1.0,表明过弯顶后闸门前的弯道水流由于闸门的调节作用已趋于均匀。

图6 水流动力轴线偏离系数a沿程的变化

从水流动力轴线的总体曲率变化可知,有闸门时的水流动力轴线要比无闸门时的平缓、光滑。这主要是因为建闸后由于闸门的挡水作用使闸前水流出现壅水现象,影响到整个弯道的水流,从而改变了水流流速的大小及其分布。

2.3 纵向流速沿横向的分布

图7为无闸门和有闸门时的弯道纵向流速分布。由图7可知,在进口段无闸门时流速横向分布比较均匀,中间大,两侧小;有闸门时流速横向分布与无闸门时流速分布大致相同。在弯顶上段,无闸门凸岸的流速增大,凹岸保持较小的流速;有闸门时凹岸和凸岸的流速都在增加,流速的横向分布较均匀。在弯顶下段,无闸门工况在15～17号断面间水流发生折冲;而有闸门工况由于18号断面处闸门的阻挡作用,从13号断面水流就开始偏向凹岸,闸门前的17号断面处凹岸流速明显大于凸岸流速。

图7 无闸门和有闸门时的弯道纵向流速分布

3 结 论

a.弯道上建闸将使弯道不同位置凹岸、凸岸及中线水位产生显著差异,其中对凸岸水面的壅水影响最大,其次为中线水面和凹岸水面。

b.弯道出口处的闸门对整个弯道的水面横比降有一定的影响,使横比降变化曲线变平、变缓;闸门对弯道水面的壅水作用随着与闸距离的增大不断减小,一般到弯道进口处就几乎消失。

c.弯道出口处的闸门使水流动力轴线变平滑,纵向流速的横向分布更均匀,且在靠近闸门处流速偏向凹岸。

[1]钱宁,张仁,周志德.河床演变学[M].北京:科学出版社,1987.

[2]陈树容.布置于凸岸的江边村拦河闸电站引水防沙试验研究[J].人民珠江,2005(4):29-30.

[3]张海光.多孔拦河闸坝泄洪方案水力特性研究[J].水力科技,2007(3):37-39.

[4]徐国宾.弯道式引水枢纽中弯道的优化设计[J].泥沙研究,1992(3):65-69.

[5]马有国,周素真.弯道环流在取水防沙中的作用[J].农田水利与水电,1993(2):34-38.

[6]郭维东,周阳,张云清,等.丁坝对弯道水流影响的分析[J].沈阳农业大学学报,2006,37(4):666-668.

[7]周阳.丁坝对弯道水流流态影响的试验研究[D].沈阳:沈阳农业大学,2006.

[8]FAZLI M,GHODSIAN M,NEYSHABOURI S A S.Scour and flow field around a spur dike in a 90°bend[J].International Journal of Sediment Research,2008,23(1):56-68.

[9]JIA Ya-fei,STEVE S,XU Yi-chun,et al.Three-dimensional numerical simulation and analysisof flows around a submerged weirin channelbendway[J].JournalofHydraulic Engineering,ASCE,2005,131(8):682-693.

[10]徐桂英.闸前弯道水流特性的试验研究[J].武汉水利电力大学学报,1995,28(3):338-341.

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

国家自然科学基金(40771022;50739002)

赵小娥(1986—),女,陕西渭南人,硕士研究生,从事水力学及河流动力学研究。E-mail:zhaoxiaoe@126.com

book=57,ebook=262

2009-03-01 编辑:高建群)