梯形复式断面明渠流场特征试验研究

邓召云

(樟树市水利局，江西 宜春 331200)

梯形复式断面明渠流场特征试验研究

邓召云

(樟树市水利局，江西 宜春 331200)

本文采用重力相似准则，建立了原型梯形复式断面无坝引水工程的室外试验模型，解决了在无坝引水工程中开展试验观测难度大的问题。同时对主河道与明渠交叉点即明渠进水口及主河道上下游的流速进行了三维观测，探讨了不同河流断面位置处的流速变化，为未来无坝引水工程通过水流流速变化进行泥沙淤积治理提供理论参考。

无坝引水工程；流场；明渠进口；重力相似准则

1 模型设计与试验

本文以江西省某新建的泵站取水工程为研究对象，采用缩小实物比尺的室外模型模拟实际水工建筑物水流运动特性的方法，探究无坝引水工程各部位的水流流动情况。该工程包括取水口、引水明渠、输水管线、泵站等单位工程，取水口年径流总量为8.12×1011m3,年平均水位为3.1 m，本工程所在河段泥沙粒径D50分布范围为0.02～0.06 mm。为了确保模型实验能更加准确的模拟实际水流的流动特点，模型的水平比尺λl=40。模型设计过程中重点考虑了水流和泥沙运动相似原理[1]，各主要比尺计算结果如下：流速比尺λv为4.69，流量比尺λQ为4.128，糙率比尺λn为1.22。模型含沙材料采用密度为1.45 g/cm3的煤粉，泥沙沉速和扬动的粒径比尺分别取1.52和1.66，根据运动相似准则计算的次要比尺不一一列出，计算公式见文献[2],室外模型试验平面布置图见图1，其中WZ代表所测的流速断面，流速采用三维流速仪测定，分别为X、Y、Z3个方向的流速，规定流速为正值时，与试验标定的流速方向相同，流速为负值时，与标定的方向相反。模型有两组泵站组成，通过引水管道将水池中的水引入渠道后，通过搅拌机产生水流扰动，干扰主河道的水流，进而模拟实际渠道的水流运动。各测量流速断面的间距为15 m，纵向观测总长度为250 m，主河道的总长度为450 m。通过建立以上室外模型来测定主河道、明渠进口及引水明渠的水流流速即流场分布。

图1 室外模型试验平面布置图

明渠的流场观测试验分为明渠进口和主河道上下游段流场变化，依据水头特点，设定的试验工况参数如下：河道水位为7.12 m,观测的原型河道和明渠流量为761.19 m3/s和6.17 m3/s，模型河道和明渠流量为194.31 m3/s和1.57 m3/s，复式明渠水位测针筒测针读数为31.69 cm。在试验开始后，当水流运动稳定时，分别测定400个瞬时流速值，流速变化不符合规律的数值取前后时刻的平均值，最后取所有流速的加权平均值作为该断面的流速。

2 明渠进口流场变化

明渠进口处水流为渠道中水流运动最复杂的部位，其为主河道与引水明渠的交界处即分流处，该部位发生的紊流在纵向阻力作用下常形成螺旋滞留，且常形成泥沙淤积，造成水位抬高，对两岸的防洪安全造成很大的影响，因此研究该部分的水流变化是非常重要的。本文取WZ05～WZ09断面为研究对象，桩号范围为5+00～9+00，断面间距为15 m，桩号间距为3 m。流场测点平面布置图及水流方向坐标系设置见图2，坐标原点设置在明渠进口前段拦沙坎和主河道7+00桩号的交点处，y=0代表进口上游处，y=100代表进口下游处。以U正值代表渠道轴向X方向的水流方向，V负值代表主河道水流方向，W负值代表垂直水面向下。m代表边坡系数，以Y/m为横轴，Y方向-100～0不同位置处的流速变化见图3。

图2 流场测点平面布置图

对明渠进口处流速三维观测建立的平面直角坐标系见图2A区域处，Z轴方向为垂直水面向上为正，不同x值断面处明渠进口纵向流速观测结果见图3，可以看出x=10和x=14断面处的流速分布较相近，x=10断面处，U=-0.03～0.09 m/s，V=-0.84～-0.70 m/s，W=-0.15～-0.11 m/s，流速分布均较均匀，从x=18断面开始，V方向的流速开始逐渐减小，即从明渠进口流向下游方向的流速逐渐减小，这与进口处水流分流流向明渠一侧是相符的。x=18～30断面处开始出现回流但回流表现不很明显，x=34～50断面即距离明渠进口越近的位置，回流现象越明显，U方向处第一次回流出现在y/m=50位置处，W方向为y/m=-85，因V方向水流为垂直流动所以其未发生回流。距离明渠进口较近的位置，流速波动较大，随着X和Y/m的增加，V方向流速逐渐减小，U方向的流速先减小后增加，在y/m=-40和x=42～50处，V和W方向处减小为0，即在明渠进口位置处的水流向下游的流速和垂向流速为0，x=38～50位置处U方向的水流回流位置出现在y/m=-60位置。在不同断面处W方向的流速变化均较平稳。x=46和x=50位置处，明渠口中心位置的水流表现为上游水体向下流动，流速逐渐减小，下游水体向上流动流速逐渐增加，表现为相反的流动现象。

图3 明渠进口平均流速纵向分布

明渠进口的横向流速见图4，可以看出：不同断面位置的V方向流速随着x增加即靠近上侧主河道边界位置处的流速逐渐减小，这是由于受边界阻力作用的结果，7+70～WZ08断面位置的V流速变化逐渐变缓，主河道下边界不同断面处的U、V、W方向流速基本相同，U=-0.03～0.05，V=-0.75～-0.63，W=-0.13～-0.08，在7+40断面即明渠进口中心处的水流回流现象已非常明显，不同断面处的流速V值均较大。

明渠进口的垂向流速见图5，距离明渠进口中心处的垂向流速较小，随着z/h的增加即越接近水面的位置，上层水体的流速大于下层水体的流速，以x=26断面为例，上游水体的流速大于下游水体，同一轴线位置的流速差值为0.03～0.06 m/s。

3 主河道上下游流场变化

主河道的泥沙淤积程度大于分流明渠[3]，且明渠取水后，明渠进口的水流将会对主河道的水量及水流流动造成影响，因此了解主河道的流速变化对于了解泥沙的淤积位置是至关重要的。本文所建立的模型主河道上下游流速变化见图6，可以看出，主河道左岸的流速始终大于右岸的流速，上游流速大于下游流速，其流速呈倒S型曲线变化，7+40与7+60断面即明渠进口处的流速变化关系为：

y=10-5x3-0.020x+0.702 (7+40断面)

y=10-5x3-0.009x+0.492 (7+60断面)

图4 明渠进口平均流速横向分布

图5 明渠进口平均流速垂向分布

图6 主河道上下游流速变化

4 结 论

河道泥沙淤积已成为水环境治理关注的重点之一，本文通过建立室外模型试验模拟原型无坝引水工程的水流运动情况，对不同断面不同坐标位置处的水流流速进行了观测，主要得出以下结论：明渠进口位置处的水流向下游的流速和垂向流速为0，在不同断面处W方向的流速变化均较平稳，明渠口中心位置的水流表现为上游水体向下流动，流速逐渐减小，下游水体向上流动流速逐渐增加，表现为相反的流动现象，主河道位置处左岸的流速始终大于右岸的流速，上游流速大于下游流速，其流速呈倒S型曲线变化。

[1] 吉祖稳,胡春宏. 漫滩水流水沙运动规律的研究[J]. 水利学报,1998，29(9):1-7.

[2] 王睿禹. 冲沙模型试验中时间比尺变态问题的数值模拟研究[D].北京：清华大学,2007.

[3] 李长安,殷鸿福,俞立中. 长江流域泥沙特点及对流域环境的潜在影响[J]. 长江流域资源与环境,2000(4):504-509.

Experimental study on characteristics of flow field in open channel with trapezoidal compound cross section

DENG Zhaoyun

(ZhangshuWaterConservancyBureau,Yichun331200,China)

In this paper, the outdoor experimental model based on the prototype of water diversion work without dam for trapezoidal compound cross section was established by using the gravity similarity criterion. The difficult problem of carrying out experiment observation in water diversion work without dam was solved. And the flow velocity of the junction of main river channel and open channel, namely the open channel inlet, and the upstream and downstream of main river channel was three-dimensionally observed. The flow velocity changes at different locations of river cross section were discussed. The result can be considered as a theoretical reference for future sediment regulation of water diversion work without dam by changing the flow velocity.

water diversion work without dam; flow field; open channel inlet; gravity similarity criterion

邓召云(1985-)，男，江西新干人，工程师，主要从事农田水利施工管理技术研究。E-mail: dzyunedu@126.com。

S152.7

A

2096-0506(2017)10-0041-05