梯形复式断面引水明渠流场特征试验研究

王绪刚

(抚顺市水利勘测设计院，辽宁 抚顺 113006)

梯形复式断面引水明渠流场特征试验研究

王绪刚

(抚顺市水利勘测设计院，辽宁 抚顺 113006)

本文以河南水厂泵站引水工程为例，对待验证的梯形复式断面引水明渠流场特征进行模拟分析。结果表明：相比于工况1、工况2，工况3下的水流紊动特征最弱，明渠对口门区的冲击及破坏力也最小，对保障工程正常运行有利。

梯形复式断面；引水明渠；流场特征

随着工程技术及施工设备不断进步，人类对水资源利用能力越来越强。由于水资源在地理空间上的不均衡分布，需要修建水利工程对水资源进行调配。在引水工程运行过程中，一方面要考虑绝对饮水量的大小，另一方面需重视泥沙沉积及其清理问题[1-3]。相比较于无坝引水明渠，梯形复式断面引水明渠在阻止泥沙方面有较好效果。

1 物理模型及试验工况

1.1 工程概况

河南水厂位于辽宁省抚顺市，紧邻浑河，浑河水含沙量历年均值为1.19kg/m3。为有效利用浑河水，需要构建泵站引水工程。工程由取水口、引水明渠、泵站、输水管道、水处理设备组成。引水明渠主要设计参数为：顶部宽度80.50m，底部宽度16.50m，取水角度73.30°，明渠总长度255m。该工程近期供水规模为1.97万m3/d，远期规划规模为3.94万m3/d。二期工程修建后，引水明渠需要能够满足11m3/s的引水量。

为确保引水明渠正常发挥功能，需要对引水明渠回流、紊乱以及流速变化等流场特征进行分析。

1.2 物理模型

基于工程实际情况，确定平面物理模型(见图1)，该工程物理模型包括三个基本组成部分：主河道、明渠部分以及口门区。在后续分析中，将分别对明渠部分及口门区建立x、y坐标，并对其流场特征进行分析。在模型中，河道纵坡为1/1000，引水明渠总体设计为复式结构，其底部宽度为16m，坡比为1∶3。在口门处，将设置一个拦沙坎，其高度为1.34m。

1.3 试验工况

为对引水明渠的流场特征进行观测并对相关问题进行对比研究，共设置3个工况。各个工况被赋予不同参数组合，这些参数主要包括河道水位、模型河道流量、原型河道流量、模型明渠流量、原型明渠流量、矩形堰测针读数及三角堰测针读数等。这些工况涵盖了枯水期、中水位期及最低水位期。由于条件限制，该研究引水工程不满足高水位期供应条件，因此，不进行观测及模拟研究(参数统计结果见下表)。

图1 引水明渠物理模型平面布置

引水明渠流场观测试验工况参数统计结果表

2 口门近区流程分析

本文中将口门近区标记为A区，并构建相应的坐标系统(见图2)。原点O为主河道与明渠拦沙坎交汇处。在分析流速时，共设置三组流速：x向流速，记为U，其值为正；y向流速，记为V，其值为负；z向流速，记为W，其值为负。通常情况下，水流正向流动；当水流出现逆流时，特别说明。

图2 引水明渠原型A区平面直角坐标系统

2.1 高水位时期表层水体流场分布特征

工况1条件下，分别对不同位置处的轴线水流平均速度进行观测(见图3)，得出如下水流规律：

图3 工况1条件下口门近区轴线流速均值纵向分布

当x=12m时，各个方向的水流速度均呈平稳变化特征。其中，主流方向速度U多在0以上，且分布于区间[0m/s，0.1m/s]。分速度V及分速度W全为负值，其中，W值分布于区间[-0.18m/s，-0.14m/s]；V值分布于区间[-0.28m/s，-0.71m/s]。随着断面深度增加至x=24m，主流向速度、各分速度基本特征呈现细微变化。其中，主流向速度U变化相对最为显著，其值主要分布于区间[-0.04m/s，0.09m/s]。

当断面深度增加至x=40m时，主流方向及各分速度都呈现显著波动特征。当断面深度增加至x=50m时，主流方向及各分速度的波动特征更加显著。相比较而言，z向分速度W波动性较小。

当断面深度增加至口门区x=40m后，流场特征不再具有平稳特征，转而出现较大波动。结合主流方向速度及各分速度特征的比较，这种波动可被解读为显著回流现象。随着断面越来越靠近引水明渠口门近区，其流场特征越来越“混杂”，即各方向水流越来越交互渗透，水流越来越紊乱，对拦沙坎冲击也会越来越大。

2.2 正常水位时期表层流速分布特征

当水流存在横向流动特征时，易对明渠边坡造成冲刷。基于工况2(河道水位为3.23m，为正常水位)相关参数，本部分将对其表层流速横向分布特征进行分析，分析重点为明渠前端。相比较于工况1，工况2条件下的引水流量相同(均为5.52m3/s)，而且设计常水位有所增加。与工况1分析类似，本部分将对工况2条件下各断面流速均值进行分析(见图4)。

图4 工况2条件下引水明渠流速变化情况

从CS07断面到7+090断面，随着观测距离的增加，主流方向流速与分速度均呈现显著趋同特征(见图4)。主流方向流速U及y向分流速V比较平稳，z向分流速W则随着测量距离增加而显著上升。这表明，在工况2下，引水明渠出现比较明显的紊流现象，不同断面水流出现显著混合，直至7+090断面处，才呈现显著分流，表层纵向流速分布于区间[-0.12m/s，0.07m/s]上，表层横向流速则极低，仅为0.01m/s，各向流速不存在显著差距，因此，该断面水流不会对明渠边坡造成显著冲击。

2.3 枯水位时期表层三维流速分布

对于季风带内的河流，水位会随着季节变化而变化。当河流处于枯水位时，引水明渠的引水量会相应降低，明渠表层流速总体稳定，随着断面不断下行，主流方向流速及分速度总体呈现不断降低的趋势。当测量工作进行至CS08断面时，三组流速值均小于0(见图5)。

图5 工况3明渠段三维流速横向分布

由图5可知，引水明渠在枯水位时期的流速横向分布表现出如下几点特征：

在0+60断面之前，明渠前端存在显著回流特征；相比较于左岸，回流现象在明渠右岸表现得更加明显；水流速度在回流区中心及外部有不同特征，总体呈现为“中心偏小，越往外侧越大”。

在0+60断面，纵向分速小于0，而横向分速则为正。此时，不存在水体回流现象，水流形态十分稳定。然而，明渠水流主轴向右岸倾斜，使得水流断面面积被大大压缩，对明渠边坡的冲击也大幅度降低。

在0+180断面之后，回流特征基本消失，水流更加顺直；沿着明渠中轴线，流速分布较为均衡，明渠水流稳定性较为正常。

当水流进行至断面0+180时，明渠水流流速分布更加均衡。水流主轴向明渠右侧倾斜更加显著，这是因为取水泵站安置在明渠右侧，其水流导向作用更加显著。表层主流速度为0.14m/s，水流十分稳定。在横向上，水流速度分布极小，可以忽略不计，因而不存在水体回流现象。

相比较于工况1、工况2，工况3下的水流紊动特征最弱，明渠对口门区的冲击及破坏力也最小，对保障工程正常运转比较有利。

3 结 论

梯形复试结构是引水明渠中常用的断面设计型式。尤其是在高山丘陵地带，受地质条件复杂、地形落差较大等因素的限制，更需要因地制宜地进行引水明渠设计，从而在确保工程质量达标的同时，尽可能地控制工程成本及资源消耗。以泵站引水工程为例，对其明渠平面流程特征进行分析，得出如下结论：在高水位时期，明渠主流至断面0+120时趋于稳定，明渠末端的水流表现出较小程度的异常波动；在正常水位条件下，明渠在0+110断面时达到稳定状态，然而在纵向上存在一定程度的回流现象；在枯水位条件下，明渠在0+60断面时达到稳定状态，此时不存在回流现象。在不同工况、不同断面处的水流特征有较大差异。总体来看，工况3更有利于引水工程运用。

[1] 陈彬兴. 那恒水库CSG坝体及坝基弹模变化影响分析[J]. 中国水能及电气化, 2016(2):49-51.

[2] 田艳, 张根广, 秦子鹏. 螺旋流排沙管三维数值模拟[J]. 中国农村水利水电, 2014(9):131-134.

[3] 刘娟, 赵晓军. 水闸除险加固中堰型的选择[J]. 水利建设与管理, 2013(9):33-36.

Experimental Study on Flow Field Characteristics of Open Diversion Channel in Trapezoidal Compound Section

WANG Xugang

(FushunMunicipalSurveyandDesignInstituteofWaterConservancy,Fushun113006,China)

Taking the diversion project of pumping station of Henan water factory as an example, this paper carries out the simulation analysis of the flow field characteristics of the open diversion channel in trapezoidal compound section. The result shows that: the stream current turbulence characteristics of the work condition 3 is the weakest when compared with work condition 1 and work condition 2, and the impact and destructive force on the port gate area by the open channel are also minimum, which are beneficial to guarantee the normal operation of engineering.

trapezoidal compound section; open diversion channel; flow field characteristics

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.01.015

TV131

A

1673-8241(2017)01- 0052- 04