某人工弯道式渠首分层取水结构段模型试验研究

唐聪聪，刘亚坤

(大连理工大学 建工学部 水利工程学院， 辽宁 大连 116024)



某人工弯道式渠首分层取水结构段模型试验研究

唐聪聪，刘亚坤

(大连理工大学 建工学部 水利工程学院， 辽宁 大连 116024)

摘要：以某人工弯道式渠首改造工程为背景，在人工弯道式渠首泄洪闸上游设置分层取水结构段，用水平隔板将水流分开，上层引水、下层冲沙。研究了分层取水建筑物的水力特性，解决了人工弯道式渠首建筑物的引水和排沙问题。为确定该分层取水结构段的结构设计合理性，采用水工模型试验方法，分别对不冲沙和泄洪闸单孔冲沙两种试验工况，观察分析了分层取水结构段的水流流态，并测量各个断面的水深、流速、引水流量和冲沙流量等水力要素。结果表明：该分层取水结构段能达到设计的引水流量要求；且单孔冲沙时，闸门开度越大，冲沙效果越好。该试验结果可为类似的多泥沙河流的综合整治工作提供借鉴。

关键词：模型试验；分层取水结构段；引水；冲沙

某人工弯道式渠首分层取水结构段是利用河道水流中泥沙在垂直断面上不同的分布规律，即含沙量沿水深递增的规律(表层水较清，底层水含沙较多)，用工程措施将水流分层，引取表层较清的水，而把底层含沙多的水排走[1]。分层取水结构分为悬板(或称隔板)分层式和竖井(或称跌井)分层式两种型式[2-4]。该人工弯道式渠首分层取水结构段采用的是水平悬板分层式。通过水平隔板将水流分为上下两层，悬板上层空间作为进水部分，用以引取河道表层水流，通过悬板上层引进水流并进入人工弯道，悬板下层作冲沙廊道，把底层含底沙水流排至下游[5-6]。

1工程概况

该渠首为人工弯道式分水枢纽。枢纽包括：上游河道整治段(包括左、右岸导流护堤)；人工弯道进口布置在河道左岸，右岸紧邻为3孔泄洪闸；人工弯道末端设置3孔冲沙闸和3孔进水闸，均布置在原河道左岸。

该渠首工程是在原渠首的枢纽布置上进行改造，主要解决连续引水和排沙的问题。改造内容是在3孔泄洪闸前设置水平悬板式分层取水结构段。泄洪闸底板高程为1 746 m，泄洪闸上游至储沙槽结构段始端底板纵坡均为1∶100。分层取水结构段上层底板高程为1 748 m，水平悬板厚为0.3 m，在结构段上游，1 748 m平台处设置有三孔舌瓣闸门，门后设置5 m宽栈桥，闸室顶高程为1 750 m。此结构段分为3孔，每孔单宽为7.5 m，中间闸墩厚0.75 m，边墙厚0.8 m，分层取水结构段总长为33.3 m。

分层取水结构段上游设置储沙槽结构段和连接段。连接段为钢筋混凝土结构，长度为25.789 m，分3孔，底板厚度为0.8 m，左、右侧边墙厚度为0.8 m，中墩厚度为0.75 m。左侧边墙设置为溢流堰，堰顶高程为1 749 m，堰厚度为0.8 m。

储沙槽结构段长度为100.782 m，分3孔，每孔宽度为10.105 m，中墩和底板厚度都为0.8 m，中墩顶高程为1 749 m，左右侧边墙结合渠首原有浆砌石护坡布置。该渠首工程的整体布置图见图1所示。

图1工程整体布置图

2模型设计及试验方案

2.1模型设计

该水平悬板式分层取水结构段模型试验按弗劳德重力相似准则，并考虑阻力相似，模型比尺为1∶25。储沙槽结构段、人工弯道结构段采用PVC板制作，连接段、分层取水结构段、泄洪闸结构段、引水闸和冲沙闸结构段采用有机玻璃制作。试验中舌瓣闸门用平板闸门代替。模型分层取水结构段纵剖面图见图2，模型断面图见图3。

图2　分层取水结构段纵剖面图

图3模型断面图

2.2试验方案

试验分为不冲沙和单孔冲沙两种工况。通过工况1研究该弯道式渠首分层取水结构段的过流能力，绘制分层取水结构段的水位—流量关系曲线。观察水平悬板上、下层水流的流态，验证分层取水结构段能否达到设计引水流量要求。通过工况2单孔冲沙试验，同一水位下，分别开启左、中、右三孔进行冲沙，每孔分别设置三个开度，分别观察不同开度下该孔冲沙时的水流流态，计算其冲沙流速、引水流量和冲沙流量等。

3试验结果及分析

3.1流态

工况1不冲沙试验，来水流量通过侧边溢流堰和分层取水结构段上层进入人工弯道再进入引水闸中。通过试验过程中的观察和测量可得，储沙槽结构段和连接段水流较平稳，在分层取水结构段始端上层水流会出现跌落，左孔水流跌落现象较为明显。分层取水结构段下层被水充满，上层水流从右侧流向左侧最终跌入人工弯道通过下游引水闸引走，上层右侧水深高于左侧。

工况2泄洪闸单孔局开冲沙即三孔分别冲沙试验工况下，冲沙孔的分层取水结构段仅下层过水，上层不过水。对应的下游泄洪闸开度分别取e=0.125 m，e=0.250 m，e=0.500 m，这三个开度分层取水时下层均为有压流，分层取水结构段入口处水流稍有波动。其他两孔水流流态较平稳，同样水流在分层取水结构段始端会出现跌水。当泄洪闸闸门全开时，闸下水流流速较大，分层取水结构段下层会出现明满流交替或者是无压流的情况。

3.2过流能力

工况1分层取水结构段下游三孔泄洪闸全关、分层取水结构段上层三孔舌瓣门全开、人工弯道下游三孔进水闸全开、三孔冲沙闸全关，通过侧边溢流堰和分层取水上层引水，分别测得分层取水始端水位从1 748.819 m～1 749.500 m时引水闸的引水流量。当分层取水始端水位较低时侧边溢流堰不过流，此时的引水流量就等于分层取水结构段上层的过水流量；当分层取水始端水位增大，超过侧边溢流堰堰顶高程时侧边溢流堰过流，此时引水流量为侧边溢流堰的过流量和分层取水结构段上层的流量之和。根据试验测量结果得出分层取水始端水位—引水流量关系曲线(图4～图5)。

图4　水位—引水流量关系曲线(水位低于1 749 m)

图5水位—引水流量关系曲线(水位高于1 749 m)

当分层取水始端水位低于1 749 m时，只是分层取水上层即侧堰过流，此时的侧边溢流堰是不过流的，此时测得的引水流量就等于侧堰的过流量；当分层取水始端水位高于1 749 m时，侧堰和侧边溢流堰同时过流，引水流量等于侧堰流量和侧边溢流堰流量之和。两阶段过流形式不一样所以图4曲线出现了拐点。特别在图5中绘制出第二阶段即水位高于1 749 m时的水位—流量关系曲线。

分析试验结果可得当分层取水始端水位为1 748.942 m时，引水流量达到设计流量35 m3/s；当分层取水始端水位为1 749.075 m时，引水流量可达设计最大流量42 m3/s。由此可得该分层取水结构段能达到设计的过流能力要求。当上游来水流量较大而引水闸又不需要那么多的引水流量时，多余流量可用于冲沙或者通过泄洪闸排出。

3.3流量系数

(1) 工况1不冲沙时，分层取水结构段上层3孔舌瓣闸门全开，泄洪闸3孔检修门落至1 747.7 m高程，泄洪闸3孔工作门全关。水经过人工弯道被引水闸引走，引水闸引水流量等于渠首来水流量。

① 正堰为多孔宽顶堰[7]。多孔宽顶堰流公式为

(1)

其中：m表示综合流量系数。

n=3、 b=7.5 m

② 在侧边溢流堰不过流的情况下侧堰为宽顶堰。宽顶堰流量公式：

(2)

其中：m表示综合流量系数。

b=25 m

根据以上公式计算工况1不冲沙试验情况下的正堰、侧堰的综合流量系数，结果见表1所示。

表1　不冲沙工况下的综合流量系数

(2) 工况2泄洪闸单孔局开冲沙。同一分层取水始端水位1 748.9 m，此时连接段左侧的侧边溢流堰不过流，则通过下游引水闸测得的引水流量即为侧堰通过的流量，按照公式(1)和公式(2)计算各个试验工况下的正堰、侧堰的综合流量系数。每孔设置三个开度。冲沙时，该孔的上层舌瓣闸门关闭，该孔只下层过水冲沙，上层不过水。分层取水结构段上层侧堰过流都被下游引水闸引走即为测得的引水流量；冲沙孔下层过流冲沙，通过泄洪闸排向下游河道，该流量即为冲沙流量。测得的试验结果见表2所示。

3.4冲沙流速

据水文资料显示该人工弯道式渠首多年平均悬移质输沙量为6.318×104t，多年平均推移质输沙量为0.1908×104t，总输沙量为6.509×104t。分层取水结构段的设置就是为解决该渠首的泥沙问题。利用水平悬板改变水流流态和水流内部结构[8]，从而提高泥沙的输移能力；由泥沙动力学理论可知，水流的挟沙能力与流速的高次方成正比[9-15]，而水流的挟沙能力是决定渠首冲沙效果的重要因素。因此试验中设置工况2泄洪闸单孔局开冲沙试验，研究左、中、右三孔的冲沙流速并验证其能否达到冲沙的效果要求。根据试验数据进行计算得到分层取水结构段下层入口处的冲沙流速、出口处的冲沙流速以及泄洪闸闸下的冲沙流速，结果见表3所示。试验结果表明，泄洪闸闸门局开，形成闸孔出流，闸门开度越大，冲沙流量越大，闸前水位越低，分层取水结构段下层入口、出口处的冲沙流速越大，水流的挟沙能力也就越大，冲沙效果也就越好。

表2　单孔局开冲沙工况下的综合流量系数

表3　单孔泄洪闸局开冲沙工况下的冲沙流速计算结果

3.5水位—引水流量—冲沙流量关系曲线

工况2：泄洪闸单孔局开冲沙。下游三孔进水闸全开，三孔冲沙闸全关，对左、中、右三孔分别进行泄洪闸开度为e=0.25 m和e=0.50 m的试验，测量在不同分层取水始端水位下其对应的引水流量和冲沙流量之间的分流关系，根据试验结果得到的关系曲线见图6～图11。

图6　右孔冲沙e=0.25 m

图7　右孔冲沙e=0.50 m

图8　中孔冲沙e=0.25 m

图9　中孔冲沙e=0.50 m

图10左孔冲沙e=0.25 m

通过对试验结果进行分析可得每孔开度一定的情况下引水流量和冲沙流量都随着分层取水始端水位的增加而增加，但是引水流量变化较明显，增加的幅度较大，而冲沙流量增加的幅度较小。由此可见冲沙流量的大小与泄洪闸的开度大小有重要关系。

图11左孔冲沙e=0.50 m

4结论

(1) 本文采用弗劳德相似准则对某人工弯道式渠首分层取水结构段进行了整体水工模型试验研究。研究结果表明该分层取水结构段能够满足下游的引水要求；且当上游来水流量较大而引水闸又不需要那么多的引水流量时，多余流量可用于冲沙或者通过泄洪闸排出。

(2) 工况2中当泄洪闸闸门开度较小时，闸门前形成雍水，分层取水结构段下层形成有压流。当泄洪闸闸门开度较大甚至全开时，闸前水位较小，闸下流速较大，分层取水结构段下层会形成明满流交替的现象或者是无压流的现象提高水流挟沙能力，便于下层水流冲沙。

(3) 从结构设计上来说该人工弯道式渠首储沙槽结构段、连接段、分层取水结构段、以及泄洪闸结构段都设置为三孔，将水流分离，使冲沙过程分孔进行，大大增加了冲沙孔内的单宽流量，这样即使在来水流量较小的情况下仍能保证冲沙孔的单宽流量，达到较好的冲沙效果。

(4) 实际工程运行中可依据单孔局开冲沙的试验结果根据实际渠首来水流量适时调整泄洪闸闸门开度及闸门开启个数达到连续引水和冲沙的目的。

(5) 该分层取水结构段能达到设计的引水流量要求，且能达到较好的冲沙效果，可以解决该人工弯道式渠首连续引水和排沙的问题，可以为实际中的类似工程提供借鉴。

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Model Experiment of Layered Water-taking Structure in a Project of Headwork with Artificial Bend

TANG Congcong, LIU Yakun

(CollegeofHydraulicEngineering，FacultyofConstructionEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian，Liaoning116024，China)

Abstract：Taking a renovation project of headwork with artificial bend as the study project, a layered water-taking structure was designed in the upstream of the floodgates of the project of headwork, which is divided into two parts by a suspension slab. The upper layer is used for water diversion and the lower layer is used for sediment washing. The hydraulic characteristics of the layered water-taking structure have been analyzed, and at the same time, the water diversion problem and sediment problem for the project of headwork can also be solved. The model experiment was used to confirm the rationality of the layered water-taking structure. The experiment includes two working conditions, one condition is that all the water flows into the headwork with bend, the other is that some water flows into the headwork with bend and the other is used for sediment washing. Only one of the three floodgates was opened in the second working condition. In the experiment, the hydraulic elements include water depth, flow velocity, and the discharge for water diversion and for sediment washing were observed and recorded. The conclusion is that the layered water-taking structure can satisfy the design requirements of the water diversion, and for the second condition, the larger the gate opening, the better its washing sediment efficiency. This research could be used for reference in the comprehensive treatment for similar structures.

Keywords:model experiment; layered water-taking structure; water diversion; sediment washing

文章编号：1672—1144(2016)01—0010—05

中图分类号：TV651.1

文献标识码：A

作者简介：唐聪聪(1989—)，女，河南省新郑市人，硕士研究生，研究方向为工程水力学。 E-mail:tccandml@163.com通讯作者：刘亚坤(1968—)，女，黑龙江讷河市人，博士，教授，博导，主要从事工程水力学教学与科研工作。 E-mail: liuyakun@dlut.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金(51479022)；国家自然科学基金(51179021)

收稿日期：2015-09-24修稿日期：2015-10-21

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.003