梯形引水渠道不同彎曲度的水流特性分析

閆 科

(新疆伊犁河水利水電投資開發(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

引水渠是水利工程中的重要渠道構筑物，起著輸送水源、引水發電、農業灌溉等作用。在設計引水渠的斷面形狀時需要考慮地形因素、地質條件等，不過最常見的仍是梯形斷面。針對梯形引水渠道施工與運營的問題，眾多科研工作者通過理論解析法、有限元法、室內試驗法、現場監測法等不同手段，展開了一系列的研究。周蔚蔚等[1]以某梯形引水渠為研究對象，通過COMSOL數值軟件建立梯形渠道模型，系統探討了不同斷面尺寸對渠道凍深、凍脹變形及應力等影響，明確了合理梯形渠道斷面尺寸以提升渠道的抗凍脹性。肖旻等[2]在Winkler地基梁理論的基礎上，同時考慮了凍土與渠道接觸面作用，建立了梯形渠道彈性凍土地基梁撓曲線方程。通過假設板間連續性和引入實際邊界條件求解了該方向。以實際梯形渠道為例，分析了渠道不同截面的凍脹位移、表面應力以及凍結李。王功[3]首先提出對邊坡系數與渠道斷面尺寸相關關系的研究中存在的問題，對此，基于導數求導手段，求解獲得了梯形渠道水力最佳斷面函數。對函數進一步探究，準確分析了邊坡系數與渠道寬深比的關系，明確了不同條件下的水力最佳斷面。劉裕[4]以喀什噶爾河灌區阿瓦提干渠為研究對象，基于渠道襯砌結構凍脹破壞機制，建立了其力學模型，求解獲得梯形渠道的凍脹力和凍脹位移。進一步明確了所建立的力學模型與土體參數無直接關系。歐祖賢等[5]推導出渠道壁面加糙下岸邊流速系數方程，并對截面尺寸、水流流速等因素的影響規律進行系統探討。研究表明，岸邊的流速系對渠道流量有顯著影響。宋禹德等[6]建立梯形渠道分流量方法，分析了主渠分水口水流形態。并通過分流試驗分析了分水口水頭損失規律和水面變化規律。基于某梯形引水干渠，通過有限元軟件建立三維數值模型，對比了4種彎曲度(15°、45°、60°和90°)下的水面線分布、水流流速等，總結了渠道彎曲度對水流流動特性的影響規律。

1 工程概況

本文所研究的某引水干渠，全長1287m，設計流量為每秒2.22m3，是該地區引水干渠中重要的一條引水渠道。渠道橫截面呈“倒梯形”，渠深2m，渠底寬2.9m，上口寬4.2m，渠底襯砌厚度12cm、渠坡襯砌厚度為12～10cm，混凝土標號為C25，抗凍標號為F100，抗滲標號為W6；渠底、渠坡墊層置換厚度取值均為50cm；渠道每3.3m設一道橫向伸縮縫，伸縮縫縫寬1.5cm，采用聚乙烯閉孔泡沫板夾縫，縫內表層(過水面)灌注厚2.5cm聚氨酯密封膠防滲。

2 三維數值模型

參考該引水干渠的實際尺寸，建立了截面為“倒梯形”的彎曲干渠，梯形上寬4.2m、底寬2.9m、高度2m，彎曲處曲率半徑為8m，渠道直線段均為20m，三維數值模型如圖1所示。

圖1 三維數值模型圖

為研究彎曲度的影響，分別建立了4種彎曲度α工況：15°、45°、60°和90°。用四面體對模型進行網格劃分，15°工況下共劃分了8512個網格、48215個節點；45°工況下共劃分了9621個網格、53251個節點；60°工況下共劃分了10628個網格、60012個節點；90°工況下共劃分了10723個網格、60158個節點。進口處水流流速設為1.71m/s，水體自由流動。

3 計算結果分析

根據計算結果可知，水流在進入直線段已處于穩定狀態，不同工況下水體流入彎道的條件相同。凹岸側水流流速低于凸岸側水流流速。

水面線分布隨觀測點距凹岸的距離的變化曲線如圖2所示。

圖2 水面線分布隨觀測點距凹岸的距離的變化曲線

對橫坐標距離進行無量綱化處理(以水面線總寬度對其進行無量綱化)。每種彎曲度工況下分別給出6個特征斷面結果。每種彎曲度工況下不同特征斷面的水深結果見表1。從圖中可以看出，由于干渠彎道的存在，水流產生了壅水現象，即水面由凸岸向凹岸逐漸抬高。對比4個彎曲度工況可知，不同彎曲度工況下特征斷面水面線變化規律存在顯著差別。隨著渠道彎曲度減小，壅水現象發生位置逐漸向下游移動。且最低水深出現的位置始終為在彎道出口處，而最大超高水深發生的位置向彎道出口處靠近。從表中可以看出，4中彎曲度工況下，最大超高水深基本都發生在凹岸1.6m水位的位置，可見，最大超高水深受渠道彎曲度的影響有限。

表1 不同特征斷面的水深結果

彎道中心位置的垂線流速隨水深的變化曲線如圖3所示。

圖3 彎道中心位置的垂線流速隨水深的變化曲線

縱坐標水深進行無量綱化處理(以直線段水深平均值對其進行無量綱化)。每種彎曲度工況下分別給出6個特征斷面的變化曲線。從圖中可以看出，不同工況下的垂線流速沿水深先緩慢增加，隨后保持穩定，最后在靠近渠道底部處迅速減小。具體的，水流流速最大值基本都發生在z/H為0.7附近；z/H處于0.7～1.0范圍內，水流流速基本緩慢增大；z/H處于0.4～0.7范圍內，水流流速基本都處于穩定狀態；z/H處于0～0.2范圍內，水流流速基本都顯著減小。

當渠道彎曲度為15°時，水流發生的壅水現象不太明顯，水流流速隨著特征斷面角度增大而逐漸增大。隨著渠道彎曲度的增大，水流發生的壅水現象逐漸明顯，水流流速隨著特征斷面角度的變化無明顯規律。水流最大流速隨渠道彎曲度的增大而逐漸減小，彎道前半段的水流流速隨渠道彎曲度的增大而持續減小，彎道后半段的水流流速隨渠道彎曲度的增大而持續增大。除渠道彎曲度為15°工況的流速峰值發生在彎道進口斷面，其余彎曲度工況的流速峰值發生在彎道出口斷面。這是因為當渠道彎曲度增大時，彎道內水流受受壁面作用增大，水流受阻水位抬升現象愈加明顯，并且壅水現象發生位置逐漸向上游移動，因而水流整體流速處于減小狀態，彎道入口處水流流速也減小。水流的壅水現象逐漸向上游移動導致彎道后半段發生落水現象，因而彎道后半段水流流速變大，并再彎道出口位置達到峰值。

不同觀測斷面0.5m水深的水流流速隨觀測點距凹岸的距離的變化曲線如圖4所示。

圖4 水流流速隨觀測點距凹岸的距離的變化曲線

橫坐標距離同樣進行無量綱化處理。每種彎曲度工況下分別給出6個特征斷面的變化曲線。從圖中可以看出，不同彎曲度工況下主流都有遠離凹岸向凸岸移動的趨勢，即凹岸側水流流速小于凸岸側水流流速。但兩側水流流速在彎道入口位置接近。當水流流進彎道范圍內，兩側水流流速在壁面作用下差距逐漸變大，主流靠近凸岸一側。水流在流過彎道頂后，凸岸一側的流速繼續增大并達到峰值。這是因為水流流進彎道范圍內，凹岸一側水流產生壅水現象導致水位抬升，凸岸一側水位降低，水位抬升區域內的水流流速低于水位降低區域內的水流流速，而水位抬升區域內的水流擠壓主流致其在彎道入口處產生向凸岸一側移動的趨勢，在彎道出口處，主流受凹岸區域內抬升水位的擠壓流速進一步加大。

4 數值與監測結果對比

選取引水干渠某彎曲度約為45°位置的水流監測結果與數值模擬彎曲度為45°工況的計算結果進行對比。7個觀測點10cm水深處的水流流速的對比曲線、彎道入口和出口2處對比結果如圖5所示。

圖5 監測值與計算值對比曲線

從圖中可以看出，彎道范圍內水流流速的監測值與計算值吻合較好，很好的證明了本文所建立模型的正確性。同時實際的水流流速略小于計算的水流流速，這可能是因為引水干渠存在少量沙子，阻礙水體留點，導致實際水流流速較低。

5 結論

(1)由于干渠彎道的存在，水流產生了壅水現象，即水面由凸岸向凹岸逐漸抬高。且最低水深出現的位置始終為在彎道出口處，而最大超高水深發生的位置向彎道出口處靠近。

(2)垂線流速沿水深均先緩慢增加，隨后保持穩定，最后在靠近渠道底部處迅速減小。小彎曲度干渠的流速峰值發生在彎道進口斷面，大彎曲度干渠的流速峰值發生在彎道出口斷面。

(3)不同彎曲度工況下主流都有遠離凹岸向凸岸移動的趨勢。彎道范圍內兩側水流流速在壁面作用下差距逐漸變大，主流靠近凸岸一側。水流在流過彎道頂后，凸岸一側的流速繼續增大并達到峰值。

(4)由于模型中采用了近似于渠道空流的狀態，因此模型僅適用于剛開閘通水階段。