彎形渠道水流偏斜問題探討

郭曉宇，段喜明

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801）

近年來，水資源的開發(fā)利用越來越受到人們的重視，為實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，各種水利工程設(shè)施也越來越得到廣泛的應(yīng)用[1]，在各種水利工程設(shè)施中，彎形渠道是水利工程設(shè)計(jì)中遇到最多的引水設(shè)施，關(guān)于彎形渠道水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及沖刷機(jī)理一直是河流動(dòng)力學(xué)中的重點(diǎn)課題。當(dāng)水流流經(jīng)轉(zhuǎn)彎渠道時(shí)，隨彎道曲率半徑的減小水流偏斜將更加嚴(yán)重[2]。這是由于當(dāng)水流通過彎道時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)除受重力作用外，同時(shí)還受離心慣性力的作用，曲線運(yùn)動(dòng)的彎道水流在重力與離心力作用下將產(chǎn)生特有的運(yùn)動(dòng)特性，主要表現(xiàn)為水面縱橫比降、橫向環(huán)流、縱向垂線平均流速重分布等[3]，由于幾個(gè)方向的流動(dòng)交織在一起，水流呈螺旋狀的路線前進(jìn)。由于水流流動(dòng)復(fù)雜，目前關(guān)于轉(zhuǎn)彎水流沒有成熟的計(jì)算公式，一般彎形渠道設(shè)計(jì)都是按照直渠水流流態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再進(jìn)行適當(dāng)系數(shù)修正，本試驗(yàn)結(jié)果可為彎形渠道設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)彎形渠道位于左岸，進(jìn)口底高程923.28m，總長(zhǎng)113m。包括進(jìn)口控制段、緩坡段、陡槽段、尾水渠。設(shè)計(jì)最大泄量188m3/s。渠道左邊墻內(nèi)側(cè)邊坡為1∶0.4，右邊墻內(nèi)側(cè)為直墻。緩坡段為0～20m，底縱坡i=1/500，底寬14m。陡坡段為20～105m，底縱坡i=1/4，底寬14m。其中，20～28m為直線段，28～98m為彎道陡坡段，彎道半徑為92m，左邊墻內(nèi)側(cè)邊坡為1∶0.3，右邊墻內(nèi)側(cè)為直墻。直線陡坡段為98～105m，左側(cè)內(nèi)邊墻由1∶0.4漸變?yōu)橹眽Γ覀?cè)內(nèi)邊墻為直墻。105～113m為反弧與挑流消能段，反弧半徑為12m，挑流采用連續(xù)重力式鼻坎。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 渠道內(nèi)水流流態(tài)

在設(shè)計(jì)流量下渠道主要部位底部流速如表1所示。

明渠水流流態(tài)的判別一般用佛汝德數(shù)來判別，依據(jù)佛汝德數(shù)計(jì)算公式Fr=，得到在設(shè)計(jì)流量下，渠道各主要部位的Fr數(shù)（表2）。

表2 設(shè)計(jì)流量下渠道各主要斷面Fr數(shù)

根據(jù)佛汝德數(shù)判別明渠水流流態(tài)的指標(biāo)：當(dāng)Fr＜1時(shí)，水流為緩流；當(dāng)Fr=1時(shí)，水流為臨界流；當(dāng)Fr＞1時(shí)，水流為急流[5]。結(jié)合表2所測(cè)數(shù)據(jù)可知，渠道在設(shè)計(jì)流量下，彎道及挑流段水流流態(tài)為急流。

2.2 水面線圖

在設(shè)計(jì)流量下的水面線如圖1所示。

3 調(diào)整方案

3.1 調(diào)整方案Ⅰ

3.1.1 彎道底板布置 調(diào)整方案I是在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，把設(shè)計(jì)方案的斜面左邊墻底板從樁號(hào)0+26到樁號(hào)0+99全部加高2m（圖2）。

3.1.2 調(diào)整方案Ⅰ水面線圖 調(diào)整方案Ⅰ在設(shè)計(jì)工況下的水面線如圖3所示。

3.2 調(diào)整方案Ⅱ

3.2.1 底板和左岸側(cè)墻布置 調(diào)整方案II是在調(diào)整方案Ⅰ的基礎(chǔ)上，除左岸底板抬高外，還將左側(cè)部分邊墻由原設(shè)計(jì)的曲線變成直線（圖4）。

圖4中底板同調(diào)整方案Ⅰ（圖2），然后在抬高底板之處，從樁號(hào)0+47到0+99將左岸邊墻取直，邊墻仍按1∶0.3作成斜墻。

3.2.2 水面線圖 調(diào)整方案Ⅱ設(shè)計(jì)流量下的水面線如圖5所示。

3.2.3 調(diào)整方案Ⅱ流速分布 調(diào)整方案Ⅱ流速分布如表3所示。

表3 調(diào)整方案Ⅱ設(shè)計(jì)流量下各測(cè)量斷面流速 m/s

4 結(jié)論與討論

通過以上3種試驗(yàn)方案的水面線示意圖比較可以看出，為了調(diào)整彎道水流偏斜而對(duì)左岸底板作出的修改，調(diào)整方案Ⅱ?qū)λ髌钡恼{(diào)整效果較好，并且左岸邊墻從樁號(hào)0+47到0+99將取直后節(jié)約工程量，減少了工程投資。經(jīng)模型試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)流量下，彎道及挑流段中水流為急流，符合實(shí)際水流流態(tài)[3]。

水在流動(dòng)的時(shí)候，受邊界條件的影響很大。邊界條件的微小變化，就可能引起水流形態(tài)的巨大變化。有彎形渠道必定會(huì)出現(xiàn)彎道水流。經(jīng)模型試驗(yàn)所得結(jié)果可知，其凹凸兩岸水深超高過大，在左岸靠近挑流段附近區(qū)域甚至出現(xiàn)無(wú)水流情況。左岸、中線、右岸水面線相差很大，水流不穩(wěn)定，為此對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了調(diào)整。最后得出調(diào)整方案Ⅱ相對(duì)較好，其在保證過流能力、流態(tài)等相同的情況下，能較好地解決彎道水流偏斜的問題。

明渠彎道水流是工程實(shí)際中經(jīng)常碰到的一種水流形式。確定渠道設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)對(duì)水流特性、工程量和工程造價(jià)等進(jìn)行優(yōu)化選擇，在保證安全和合理的水流銜接的前提下，應(yīng)力求減少工程量和降低工程造價(jià)。

［1］ 趙學(xué)華.晉中市水資源優(yōu)化配置研究 [J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（7）：87-89.

［2］ 吳持恭.水力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998.

［3］ 高偉，楊中華.彎道水流特性和數(shù)值模擬方法研究進(jìn)展[J].水電能源科學(xué)，2009，27（1）：112-115.

［4］ 李煒.水力計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

［5］ 武漢水利電力學(xué)院，華東水利學(xué)院.水力學(xué)[M].北京：人民教育出版社，1981.