导流板长度与放置角度对导流效果的影响分析

狄 帆

（山西省水利水电科学研究院山西太原 030002）

0 引言

导流板是一种垂直安装在河床上，与水流成一定角度的小型导流建筑物，可以改善弯道水流结构从而在一定程度上解决弯道冲刷淤积的问题。国内外许多学者在此领域做了大量的研究工作[1-5]。它可以临时改变局部不利河势，防止畸形河湾的形成，在工程除险防护等方面也有应用。活动式导流板更是因其安全、快捷、环保、可重复使用等优点具有良好的应用前景。

本文在黄河上活动式导流装置布置方式与导流效果的研究基础上[6]，针对汾河中下游的实际水流状况，采用数值模拟的方法对导流板的尺寸、放置角度进行研究，通过对比结果得出最佳布置方式。为活动式导流装置在汾河中的应用提供技术支持。

1 基本方程

河道弯道水流是横向运动与纵向运动结合的螺旋流。这种水流作用下形成的凹岸坍塌后退、凸岸边滩淤长延伸现象需要采取一定措施进行改善。河流河道采用的导流板形状依平面的实际情况，结合横截面积和水深确定。这些几何上的变化需要在方程中作处理。为了适应汾河中段河道的不规则形状，本文中采用曲线坐标系生成网格和方程处理[7，8]。

（1）2－D流函数方程

Lami系数H1，H2按下式计算：

而xξ=Δx/Δξ，yξ=Δy/Δξ，xη=Δx/Δη，yη=Δy/Δη（2）2－D涡量方程

2 不同长度导流板对水流的影响分析

1）计算结果分析

导流板布置方案：流量（Q2）为39 m3/s，导流板长度（TL）分别为3 m，5 m，8 m，10 m。宽度（TB）为0.5 m，河段长度（LL）为100 m，河段宽度（BB）为25 m，平均水深（HW）为1.5 m，导流板上游长度为20 m。导流板均采用垂直河道（90°）的放置方式。

河道中的水流流态随导流板长度变化会发生相应的变化。模拟计算结果如图1、图2、图3、图4所示。

图1 3m导流板平面流场流线图

图2 5m导流板平面流场流线图

图3 8m导流板平面流场流线图

图4 10m导流板平面流场流线图

由导流板平面流场流线图可以看出：导流板在束窄河道水流的同时，也使导流板板头处流向改变，流速加大。随着导流板长度的增加，河道中水流的流势变化也逐渐增大。

另外，随着导流板长度的增加，导流板头处的涡量也逐渐增加。水流绕过导流板头时，分离点以下形成旋转角速度较大的小范围漩涡，并且随着水流不断向下游移动，漩涡区范围逐渐扩大，强度逐渐减小。

图5、图6、图7、图8为导流板平面流速矢量图。

从平面流速矢量图可以看出：河道中放置导流板后，板后出现明显的回流，而且导流板越长，挑流越明显，恢复原状需要的距离越长。

图中还显示出水流方向和流速大小的变化过程。放入河道中的导流板影响了板前和板后流速的分布，改变了水流的方向，将水流逼向中央。在板头附近，水流流速增大，导流板承受了水流的冲力；在导流板后，流速大幅降低，起到了保护堤岸和河床的导流与护岸作用。

图5 3m导流板平面流速矢量图

图 65m导流板平面流速矢量图

图7 8m导流板平面流速矢量图

图8 10m导流板平面流速矢量图

2）影响分析

导流板长度不同，对导流板附近流场分布的影响不同，导流板前后的流速变化不同，其影响范围也各不相同。从表1中的数值分析可以得出不同长度的导流板所起的导流护岸效果。

表1 不同长度的导流板对流速的影响

随着导流板长度的增加，板前最大流速、板后最小流速不断增大，影响范围逐渐增加，但导流板长度为5 m时，出现了峰值。当导流板长度为10 m时，影响范围不再扩大，由于流速增长幅度太大影响导流板的稳定性，因此建议采用5～8 m的板长。

3 不同倾斜角度导流板对水流的影响分析

1）计算结果分析

导流板布置方案：河道流量（QZ）为39 m3/s，导流板长度（TL）为8 m，宽度（TB）为0.5 m，河段长度（LL）为100 m，河段宽度（BB）为25 m，平均水深（HW）为1.5 m，导流板上游长度为20 m。导流板的四种倾斜角度分别为：30°，45°，60°，90°（即垂直河道放置）。

计算结果如图9、图10、图11、图12所示。

导流板倾斜角度越大，导流板附近流场流态的变化越大，水流的挑流作用越明显。

另外，随着导流板倾斜角度增加，板头处的涡量增大，板后的回流区增长，影响的范围也在不断增大。

2）影响分析

为了寻找导流板的最佳放置角度，分析比较了四种不同放置角度导流板的数值计算结果，研究不同放置角度的导流板对水流所产生的不同影响，表2为计算结果。

图9 纵横比为2：1的导流板平面流场流线图

图10 纵横比为1：1的导流板平面流场流线图

图11 纵横比为1：2的导流板平面流场流线图

图12 垂直放置的导流板平面流场流线图

表2 不同倾斜角度的导流板对流速的影响

由表2可以看出，当导流板垂直放置时，板前流速的增大幅度最大，导流效果好，但导流板受到水流冲力也最大，影响导流板的稳定。当导流板倾斜角度为30～45°时，板前流速逐渐增大，板后流速减小，能够在板后形成淤积，而且影响范围不大。

4 结论

本文采用汾河中游的河道参数，对不同长度、不同倾斜角度的导流板进行多方案的数值模拟。

通过比较导流板前流速的增大幅度、板后流速的减小幅度以及相应的影响范围分析了导流板对水流流态的影响从而确定导流效果的好坏。根据数值结果可以得出以下结论：

（1）河道中放置导流板后，导流板能够改变水流的流向，流速最大值出现在导流板头部。随着导流板长度的增加，水流受到的扰动增大；导流板后会出现回流区及漩涡区，而且随导流板长度的增加，漩涡区范围也逐渐增大。

（2）倾斜布置的导流板与垂直布置的导流板相比，对水流的影响较小。相应地，水流对导流板的冲力也较小，有利于导流板的稳定。

[1]Odgaard，A.J.，Spoljaric A.Sediment controlby submerged vanes［J］.Hydr.Engrg.，ASCE，1986，112（12）：1164－1181.

[2]Odgaard，A.J.，Mosconi E.Streambank Protection by Submerged Vanes［J］.Hydr.Engrg.，ASCE，1987，113（4）：520－536.

[3]Odgaard，A.J.，and Wang，Y.Sediment Management with Submerged Vanes.Ⅱ：Applications［J］.Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，1991，Vol.117，No.3，pp.284－302.

[4]刁明军，杨海波，李斌华等.弯道水力学研究现状与进展［J］.西南民族大学学报（自然科学版），2007，33（3）：596－601

[5]杨玲霞，张银华，吴建平等.改善弯道急流流态的试验研究［J］.中国农村水利水电，2006（7）：77－79

[6]冯民权，范术芳，郑邦民，邓宇.导流板的布置方式及导流效果［J］.武汉大学学报，2009，42（1）：87－95.

[7]李义天，赵明登，曹志芳.河道平面二维水沙数学模型［M］.北京：中国水利水电出版社，2001：27－30.

[8]于永海，徐 辉，程永光.泵站前池导流板整流措施数值模拟研究［J］.水利水电技术，2006，37（9）：41－43.