弯道低水头拦河闸闸孔分流比试验研究

钟 杰

弯道低水头拦河闸闸孔分流比试验研究

钟 杰

（浙江大学港口、海岸与近海工程研究所，杭州 310000）

通过理论分析，结合模型试验，对处于弯道上的低水头拦河闸闸前的水流特性、闸孔的分流比及其影响因素进行了研究，探讨了闸孔分流比的计算方法。结果表明，由于枢纽对闸前水流的影响，使得闸前弯道水面横比降、纵比降显著减小，纵向垂线平均流速横向分布趋于均匀化。河槽总流量和枢纽轴线与弯道进口断面的夹角对闸孔分流比的影响较小。靠近凸岸的边孔泄流能力较弱，其余各闸孔分流较均匀。闸孔分流比的计算结果较为满意。这些对于保证闸址选择、水闸设计的经济性、安全性具有很重要的意义。

弯曲河道；弯道水流；低水头拦河闸；闸孔分流比

1 概 述

拦河闸在水利工程方面的应用十分广泛。对于拦河闸的设计，闸址的选择是其中的一项非常重要的内容，应保证过闸水流平顺，流量分布均匀，不出现偏流和危险性冲刷或淤积。根据已有的理论和工程经验表明，一般拦河闸宜选在河道顺直、河势相对稳定的河段，闸的轴线宜与河道中心线正交，其上、下游河道直线长度不宜小于5倍水闸进口处水面宽度［1］。然而由于地形、地质或者周围环境等因素的影响，有时不得不将水闸布置在河湾处。弯道具有特殊的水沙运动规律。自1876年J．Thompson在实验室发现弯道螺旋水流以来，国内外学者根据不同的研究目的，对河湾水流特性及泥沙运动规律做了大量的研究分析工作。Eakin发表了密西西比河河湾水流观测的研究结果，侧重研究了河湾水面超高问题①BLUE F L，HERBERT JK J，LANCEFIELD R L．Flow Around a River Bend Investigation［J］．Civil Engineering，1934，（4）．。Yamell和Woodward对河湾水流做了大量的试验，研究了纵向流速分布和水面形状②YARMELL D L，WOODWARD SM．Flow ofWater around Bends［J］．Tech，Bull．No．526，U．S．Department of Agriculture，1936，（526）．。Mock-more进行了连续河湾的试验研究，指出了一河湾水流受上一河湾水流剩余环流的影响②。Rozovskii对河湾水流特性做了大量的试验，通过理论推导及试验数据验证，提出了河湾水流特点及纵向、环流流速计算公式［2］。Thorne等通过对英格兰的一些河流弯段进行观测，测得二维流速，由此推出纵向流速和横向流速的分布。我国学者王伟、蔡金德、刘焕芳、张红武、王平义等，分别对河湾水流的影响因素、边界条件、三维水流数值模型进行研究，提出了河湾环流结构、流速分布、自由水面的沿程变化、河湾水流分离临界判别条件、河湾河床剪切力特点、泥沙运动特性等成果［3－5］。对于顺直河段的水闸闸孔孔出流，文献［6，7］等都做了一定研究，得到了一些理论公式。但是由于弯道上拦河闸的应用甚少，关于弯道拦河闸闸前水流特性及闸孔分流比的研究成果不多见。

本文正是基于这种特殊情况，通过模型试验，探讨处于弯道上的低水头拦河闸闸前的水流特性、闸孔的分流比及其计算方法，为水闸的设计以及深入研究提供科学依据。

2 试验模型的基本情况

U型弯道模型（如图1和图2所示）底宽B＝68 cm，河槽高H＝30 cm，弯道中心半径RCP＝114 cm，RCP／B＝1．676 5，进口和出口段长均为800 cm，水泥光滑面。5孔平底平板闸门（如图3所示）每孔净宽b＝12 cm，闸敦长20 cm，中墩宽均为2 cm。中墩墩头为半圆弧形，墩尾为圆弧曲线。闸室与弯道等底等高。河道全程均为平底缓斜面（河槽坡降 i＝2‰）。闸门刀口向下。整个闸室横向长68 cm，纵向长20 cm，可整体沿河槽纵向移动。整个河道共设10个断面，在每个断面上留有3个测压孔。用测压管测各断面上的凹、凸岸及中心线上的水位，用矩形堰测流量，用螺旋流速仪测垂线纵向流速，用三点法计算纵向垂线平均流速。水流经过由矩形量水堰和静水设备组成的首部设备进入槽内。静水设备借光滑的喇叭口与水槽相连。由水槽出来的水，则流入实验室的循环水池内。

图1 U型弯道模型平面布置图Fig．1 The scheme of a U-shape bend flumemodel

图2 A－A剖面图Fig．2 A－A sectional view

图3 闸室平面图和立面图Fig．3 Plan and elevation of the sluice

3 闸前弯道水流特性

在河槽流量Q＝59．9 L／s的情况下，低水头拦河闸位于10号断面，水流经过弯道，对弯道水流水面横比降、纵比降、纵向垂线平均流速的横向分布进行分析。

3．1 闸前弯道水面横比降

在本次试验中，矩形断面水面平均横比降用公式Jr＝（h凹－h凸）／B。式中：h凹，h凸分别表示凹、凸岸边水深；B为底宽。

通过计算，水面横比降沿程变化情况如图4所示。通过试验可知，由于枢纽对闸前水流的阻力作用，使得弯道水面横比降显著减小，闸前10号断面的水面横比降仅为0．02。

图4 闸前弯道水面横比降Fig．4 Transverse gradient of the water surface in front of the sluice gate

3．2 闸前弯道水面纵比降

水流经过弯道后水面将产生纵比降，如图5所示闸前弯道中各断面水深的沿程变化。闸前10号断面河槽凸岸、中线处、凹岸的水深分别为11．8，12．8，13．1 cm。可见水深较为接近。

图5 闸前弯道水面纵比降Fig．5 Longitudinal gradient of the water sur face in front of the sluice gate

3．3 闸前弯道纵向垂线平均流速的横向分布

由于弯道环流的存在，将使水流结构沿纵向、横向、水深3个方向的分布发生变化。如图6所示为纵线垂线平均流速横向分布的沿程变化。闸前流速分布趋于均匀化。

4 闸孔分流比

4．1 闸孔分流比的影响因素

影响闸孔出流流量的因素包括闸门类型、闸底坎形式、出孔水流是否受下游水深影响、闸前水深H、闸门断面宽度b、闸门开启度e、闸上游行近段的河道形态等［8］。

图6 闸前弯道纵向垂线平均流速的横向分布Fig．6 Lateral distribution of the profile depth-averaged-velocity in front of the sluice gate

定义闸孔分流比系数β为单个闸孔的流量占河道总流量的百分比，即

本次模型试验闸门为平底平板闸门；闸门等宽（b＝B／N；B，N分别为河宽和闸孔数）；闸底为宽顶堰；孔口为自由出流；闸门全部开启；闸上游行进段为弯道，弯道参数可用弯道半径R和枢纽轴线与弯道进口断面的夹角θ表示。经简化，在本次模型试验中闸孔分流比的影响因素主要包括闸前水深H、河宽B、闸孔孔数N、弯道半径R、枢纽轴线与弯道进口断面的夹角θ以及河道总流量Q总。

4．2 闸孔分流比的试验结果分析

试验在水闸模型一定的情况下，主要分析河槽总流量以及枢纽处于弯道不同部位时闸孔分流比的变化情况，即河槽总流量和枢纽轴线与弯道进口断面的夹角对闸孔分流比的影响。

在河槽流量Q＝59．9 L／s的情况下，将低水头拦河闸分别布置在弯道的不同断面（如图1所示的3－9号断面），测得各闸孔的流量，并计算其分流比系数，分析该系数的沿程变化。然后将低水头拦河闸布置在弯顶（6号断面），在不同的流量下，分析闸孔分流比系数的变化情况。

如图7所示为模型试验中，在总流量保持不变（Q总＝59．9 L／s）的情况下，5孔闸室分别处于河弯的不同断面（如图1所示的3－9号断面），闸门全部开启时，各闸孔的分流比系数的沿程变化。由图可知：①在同一断面，总体上，从1号闸孔到5号闸孔流量逐渐增加。2－5号闸孔流量较相近，闸孔1与上述4个闸孔流量相差较大。最大闸孔分流比系数差值Δβimax＝5．9%。②对于同一闸孔，其闸孔分流比系数沿弯道变化较小，最大分流比系数波动值Δβimax≤2．8%。各闸孔的平均分流比系数分别为：β1＝17．6%，β2＝19．6%，β3＝20．7%，β4＝21．2%，β5＝21．6%。枢纽处于弯道的不同断面，各闸孔的流量波动较小，说明枢纽轴线与弯道进口断面的夹角对闸孔的分流比系数影响甚小。

图7 Q＝59．9 L／s情况下，各闸孔分流比系数的沿程变化Fig．7 Flow diversion ratio coefficients of each gate-hole when Q＝59．9 L／s

如图8所示为模型试验中，在河槽总流量分别为38．0，51．1，59．9，72．4，89．8 L／s时，5孔闸室置于6号断面，闸门全部开启，各闸孔分流比系数的变化情况。由图可知，各闸孔分流比系数在河槽总流量发生变化的情况下，波动较小，说明河槽总流量对弯道中各闸孔的分流比系数影响较小。靠近凸岸的边孔泄流能力较弱，其余各闸孔分流比较均匀。

图8 不同流量情况下6号断面各闸孔分流比系数Fig．8 Flow diversion ratio coefficients of each gate-hole in the 6 th section w ith different discharge

4．3 闸孔分流比的计算方法

布置在U型弯道上的低水头拦河闸，有N孔等宽闸门。弯道凸岸半径为R1、凹岸半径为R2，河槽宽度为B，河槽总流量为Q总，从凸岸到凹岸闸孔编号依次为1，2，…，i，…，N（如图9所示）。由3．1节试验结果可知，闸前水面横比降较小，因此不计闸前水面横比降，假设闸前水深沿径向相等，则：

第i闸孔的流量为

河槽总流量为

图9 计算模型示意图Fig．9 Sketch of calculation model

将式（2）和式（3）代入（1）式可得i号闸孔的分流比系数为

式中：βi为i号闸门的分流比系数，R1为弯道凸岸半径，R2为弯道凹岸半径，i为闸门编号（靠近凸岸的边孔为1），B为河槽宽度，vc为断面中线上的纵线垂线平均流速，rc为弯道中心线半径，r为断面任意点的半径，θ为坝轴线与进口断面的夹角。

通过式（5）计算试验中闸孔的分流比系数，计算值与试验值的比较如表1所示。由于假定闸前水深沿径向相等，且忽略了闸室对纵向垂线平均流速横向分布的影响，从表1中可以看出在某些断面、某些闸孔的分流比系数相差较大。由模型试验的结果可知，我们需要重视凸岸边孔的分流比，其余闸孔流量分布较均匀，可以不由式⑸计算确定。引入修正系数a和b，则凸岸边孔的分流比为

根据试验数据回归分析可得待定系数 a＝0．877，b＝0．251。而该断面上其余各闸孔平均分配剩余流量。修正后的分流比系数计算值与实验值比较如表2所示。从表2中可以看出，引入修正系数后，各闸孔分流比系数的试验值与计算值比较吻合，因此可以采取上述方法对闸孔的分流比进行计算，从而得出较为满意的结果。

通过式（6）可以看出，在忽略闸前水面横比降和闸室对纵向垂线平均流速横向分布的影响，且将河道总流量用闸前水深和纵向流速进行表征的条件下，闸孔分流比系数的影响因素主要包括弯道半径R、枢纽轴线与弯道进口断面的夹角θ、河宽B、闸孔孔数N。这与4．1节的分析相吻合。

表1 各闸孔分流比系数的试验值和计算值Table 1 Flow diversion ratio coefficients of each gate-hole by test and calculation

表2 修正后各闸孔分流比系数的试验值和计算值Table 2 Flow diversion ratio coefficients of each gate-hole by calculation after amendment

5 结 论

（1）在弯道上布置低水头拦河闸，由于枢纽对水流的约束作用，使得闸前水面横比降、纵比降、垂线流速显著减小，闸前水位升高，纵向垂线平均流速横向分布趋于均匀化。

（2）在弯道内布置低水头拦河闸，在忽略闸前水面横比降和闸室对纵向垂线平均流速横向分布影响的条件下，闸孔分流比系数的影响因素主要包括弯道半径、枢纽轴线与弯道进口断面的夹角、河宽、闸孔孔数。

（3）在弯道内布置低水头拦河闸，靠近凸岸的边孔泄流能力较弱，其余各闸孔分流比较均匀。因此应高度重视凸岸边孔的设计工作，以免造成凸岸边孔泄流较小甚至不泄流的后果。

（4）本文初步探讨了低水头拦河闸闸孔分流比系数的计算方法，通过计算值与试验值的比较表明该方法可以得出较为满意的结果。

［1］ 林继镛．水工建筑物（第四版）［M］．北京：中国水利水电出版社，2006．（LIN Ji-yong．Hydraulic Structures（Fourth Edition）［M］．Beijing：China Water Power Press，2006．（in Chinese））

［2］ 罗索夫斯基．弯道水流的研究［J］．尹学良，译．泥沙研究，1958，3（1）：83－95．（ROZOVSKIIB L．Research of Bend Flow［J］．Translated by YIN Xue-liang．Journal of Sediment Research，1958，3（1）：83－95．（in Chinese））

［3］ 张红武，吕 昕．弯道水力学（第1版）［M］．北京：水利电力出版社，1993．（ZHANG Hong-wu，LV Xin．Bend Hydraulics（First Edition）［M］．Beijing：Water Conservancy and Electric Power Press，1993．（in Chi-nese））

［4］ 王 韦，许唯临，蔡金德．弯道水沙运动理论及应用（第1版）［M］．成都：成都科技大学出版社，1994．（WANGWei，XUWei-lin，CAIJin-de．Theory and Ap-plication of Water and Sediment Movement in Curved Channel（First Edition）［M］．Chengdu：Chengdu Univer-sity of Science and Technology Press，1994．（in Chi-nese））

［5］ 王平义．弯曲河道水力学［M］．成都：成都科技大学出版社，1995．（WANG Ping-yi．Bend Hydraulics［M］．Chengdu：Chengdu University of Science and Technology Press，1995．（in Chinese））

［6］ 武汉水利电力学院水力学教研室．水力学下册［M］．北京：高等教育出版社，1987．（Hydraulics Department of Wuhan Hydraulic and Electric College．Hydraulics［M］．Beijing：Higher Education Press，1987．（in Chi-nese））

［7］ 清华大学水力学教研组．水力学下册（1980年修订版）［M］．北京：人民教育出版社，1981．（Hydraulics De-partment of Tsinghua University．Hydraulics［M］．Bei-jing：People’s Education Press，1981．（in Chinese））

［8］ 吴门伍，陈 立，周家俞．大和水闸过闸流量分析［J］．武汉大学学报（工学版），2003，36（5）：51－54，78．（WU Men-wu，CHEN Li，ZHOU Jia-yu．Analysis of Water Discharge through Dahe Sluice［J］．Engineering Journal ofWuhan University，2003，36（5）：51－54，78．（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Experimental Study on Flow Diversion Ratio of Low Head Sluice Built in Curved Channel

ZHONG Jie
（Harbor Coast and Offshore Engineering Research Division，Zhejiang University，Hangzhou 310000，China）

Based on the theoretical analysis and model experiment，the behavior of flow in front of the sluice gate，flow diversion ratio of a low head sluice built in the curved channel and its factors were analyzed，calculations of flow diversion ratio coefficientwere discussed．The results show that due to the influence of sluice on the flow，the transverse and longitudinal gradients of the water surface decrease remarkably，the transverse distribution of the depth-averaged longitudinal velocity tends to be nearly uniform．The impact of the total flow and the angle between sluice axis and inlet plane of curved channel on flow diversion ratio of a low head sluice is small．Discharge capaci-ty of the gate-hole near convex bank is small，those of other gate-holes aremuch uniform．Flow diversion ratio coef-ficients by calculation were satisfactory．These results are very important for the selection，location，design，securi-ty and economy of sluices．

curved channel；bend flow；low head sluice；flow diversion ratio of gate-holes

TV143．2

A

1001－5485（2011）03－0028－05

2010-07-19

钟 杰（1986-），男，四川眉山人，硕士研究生，主要从事河流泥沙动力学等方面的研究，（电话）13567144156（电子信箱）125738069＠qq．com。