曲线交汇条件下汇流角对弯道环流强度的影响研究

李 达

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

曲线交汇条件下汇流角对弯道环流强度的影响研究

李 达

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

本次研究基于国内外弯道交汇河段水流运动特征研究的相关成果，设计和建立了水槽试验模型，进行清水试验，借助多普勒流速仪等仪器，分析了汇流角对环流强度变化的影响，研究结果可以为曲线型交汇河流的河床演变分析、制定河道整治措施提供参考。

曲线型交汇；模型试验；环流强度；入汇角

干支流交汇是自然河流中普遍存在的河貌形态。曲线形河道水流形态多变，如果再有支流汇入，汇流口附近的水流运动会异常复杂，呈现出明显的横向环流。横向环流的特征与各种水利要素密切相关，其中支流的入汇角是比较重要的控制因素。因此，利用模型对支流交汇于干流凸岸弯道的弯道环流展开研究，能为相似河段的分析研究提供有益的理论依据与技术支撑。

1 弯道横向环流形成机理与影响

水面横比降会造成弯道各断面沿垂线呈线性分布的横向压力差，这种压力差的存在致使流速沿垂线呈现出一种非均匀性分布状态，两者的共同影响进一步导致河流弯道的横向环流[1]。弯道部位的横向环流与主体水流相互作用，形成弯道所特有的螺旋性的水流特征。根据相关的研究成果，水流在河流的弯道部位会产生指向凸岸的向心力。如果河流在弯道凸岸处恰好存在一个斜交支流，就会构成典型的曲线交汇弯道。由于支流水流的冲击作用，使得表层水流对对岸产生更为严重的冲刷。具体而言，在凹岸，水流会以较大的流速从表层流向底层，从而持续不断地冲刷凹岸，底流中的泥沙受重力作用会逐渐在凸岸淤积形成浅滩，这会对航行产生严重阻碍。因此，应该在凹岸的适当部位采取必要的加固措施，防止弯道不断向下游移动[2]。

2 模型设计与测量设备

2.1 模型的布置和制作

大多数汇流模型试验为支流斜交于顺直干流，而本次试验设计的是支流斜交于曲线型干流，支流水流在交汇处不仅受到惯性作用，还要受到弯道离心力的作用。因而，对干流水流具有更强的冲击作用，水流特性更为复杂。整个模型试验体系包括水循环系统、流量调控系统、测量仪器以及其他设备。结合我国大多数自然河道圆心角的特征，确定水槽弯道弧度为60°。模型的主槽宽0.60 m，高0.40 m，弯道弧长是 4 m，弯道半径为 3.78 m；支槽宽 0.3 m，高0.40 m，支槽长度为 3 m；低坡设计为0.0005，所需流量可以通过阀门调节，流量采用矩形薄壁堰测量，精度为0.1 L/s。整个水槽严格按照《水工(常规)模型试验规程》(SL 155-2012)的要求制作，平均水平误差小于5 mm，竖直高程误差小于2 mm，漏水量低于试验流量的1%。流速测定仪器选用超声波流速仪，其接收探头与采样体的连线与发射探头轴线之间的夹角为30°，探头位于测量点正上方 5 cm，目的是减小探头因与水流碰撞而带来的干扰误差。

2.2 测点布置

流速测点网格主要布置在弯道段，把弯道圆心角每 5°划分一个断面，共划分了13个断面，记为1、2、3……13。每一个断面上从左岸至右岸分别选取6条垂线，即垂线1～6，具体见图1。 在每一条垂线上逐次设有三个测点，依次记作0.2 H、0.4 H、0.8 H(H 是每个测点平均水深)。采用三点法[3-5]计算垂线平均流速，整个弯道段网络测点共有234个。

图1 垂 线布置示意图

3 结果与分析

在试验装置中，当水流进入弯道之后，弯道槽和进出口段的流速场就会随水流运动发生显著改变[5-6]。其中，横向流速的特征和沿水深的分布状态，会对流场的调节和分布造成直接影响，并成为决定环流强弱的主要因素[7]。对环流强度进行衡量的标准有很多种，以下的试验研究利用横向分速度Vy与纵向分速度Vx的比值作为衡量标准。剖取z=0.2 H、0.4 H、0.8 H这3 个流层平面，绘制旋度等值线图，汇流比为1∶5，研究不同入汇角对环流强度的影响。

3.1 入汇角为45°时的结果分析

0.8 H处的弯道交汇区域下的环流强度计算结果如表1所示(只列出对结果影响明显的8个断面的结果，以下同)。从表格中的数据可以看出，整个弯道上层环流强度较小。断面2、3处的值不大，说明在弯道进口处环度较小，在断面3处，靠近凸岸处的值为负值，因为在交汇口上游附近会产生一个停滞区，使水流变化不稳定。在断面4处达到一个最高点，而且凸岸处的环流强度要大于靠近凹岸处，这是因为支流对主流的顶托作用，致使在断面4处出现峰值。

表1 45°入汇角下环流强度试验结果(0.8 H)

0.4 H处的弯道交汇区域下的环流强度计算结果如表2所示。从表格中的数据可以看出，在水深中部，弯道进水口断面2的环流强度较小，方向由凹岸流向凸岸，断面3的环流强度有正值有负值，说明由于紧邻交汇口受其影响，有水流由凸岸流向凹岸，两者相互作用下的结果。在断面4处达到峰值，但峰值小于0.8 H中的峰值，说明虽然水流对主流有顶托作用，但有一部分水流具有由凹岸流向凸岸的趋势，与之方向相反，靠近交汇口处的垂线4、5、6的环流强度要大得多。在断面5处环流强度明显下降，原因是分离区水流形态复杂多变，相互碰撞，致使能量损耗，环流强度减弱。

0.2 H处的弯道交汇区域下的环流强度计算结果如表3所示。从表格中的数据可以看出，在水深底层，弯道进水口断面2和3，环流强度较小，且均为负值，说明在弯道水流底层，水流完全由凹岸流向凸岸，在断面4处环流强度达到最大值0.48，且让6 个垂线均改变了方向，说明在交汇口处，由于支流的汇入，对弯道环流有较大的影响，甚至从一定角度改变了水流的方向。

表2 45°入汇角下环流强度试验结果(0.4 H)

表3 45°入汇角下环流强度试验结果(0.2 H)

3.2 入汇角为60°时的结果分析

0.8 H处的弯道交汇区域下的环流强度计算结果如表4所示。从表格中的数据可以看出，上层水流环度强度较小而底层环流强度较大，弯道的前后两段差异不明显，前半段的凹岸略大，后半段两岸基本相同。同样，在断面4处达到峰值且凹岸处垂线强度要大于凸岸处的垂线，与入汇角为45°相同位置相比，前者在断面4处的垂线5的环流旋度值是0.22，后者在断面4处的垂线5的环流旋度值是0.27，这是因为随着入汇角的变大，支流对主流的作用力更强，因此环流强度与入汇角的大小有显著关系[8]。

表4 60°入汇角下环流强度试验结果(0.8 H)

0.4 H处的弯道交汇区域下的环流强度计算结果如表5所示。从表格中的数据可以看出，水深中层，弯道进水口断面2和3，环流强度较小但方向有正有负，这是由于中层环流受到许多因素影响，方向不是很明显；在断面4处环流强度达到最大值0.69，大于45°的环流强度但小于底层剖面的环流强度，这说明入汇角变大会使交汇处的环流强度加大，但由于中层水流方向已不像底层水流明显，故叠加效果会有所减弱，致使强度有所减小。

0.2 H处的弯道交汇区域下的环流强度计算结果如表6所示。从表格中的数据可以看出，在水深底层，弯道进水口断面2和3，环流强度较小且均由凹岸流向凸岸；在断面4处环流强度达到最大值0.8，这比45°时对应的环流强度要大，说明入汇角的改变对环流强度有一定影响。在断面4处，靠近凸岸的测点强度值要远大于靠近凹岸垂线的强度值，主要是因为纵向流速Vx随着半径的增大逐渐增大，径向流速Vy随着半径的增大而减小。除了断面5的垂线4、5、6外，其他断面上的垂线方向都发生了改变，随着流线逐渐弯曲，环流强度沿程逐渐变大，在断面7处达到顶点随后又减小趋于平稳。

表5 60°入汇角下环流强度试验结果(0.4 H)

表6 60°入汇角下环流强度试验结果(0.2 H)

4 结 论

环流强度的大小与支流入汇角密切相关。当入汇角变大时，支流对主流的顶托作用加强，使交汇处的环流强度加大。随着入汇角变大，入汇口下游出现环流环度的最值断面逐渐向下移动，在入汇角为45°时，入汇口下游出现环流强度的最值断面是6；在入汇角为60°时，入汇口下游出现环流强度的最值断面是7且在靠近凹岸处。因此，要对入汇口下游的凹岸处适当位置加以防护。

[1] 檀会春,张华庆.弯道横向环流试验及分析[J].水道港口,2010(1):30-35.

[2] 哈岸英,刘磊.明渠弯道水流运动规律研究现状[J].水利学报,2011(12):1462-146.

[3] Bradbook.Role of the Bed Discordance at Asymmetrical River Confluence[J].Journal of hydraulic engineering,2001,127(5):351-368.

[4] 唐洪武.现代流动测试技术及应用[M].北京:科学出版社,2009.

[5] 谭柱林,彭杨.明渠弯道水流三维数值模拟[J].水运工程,2012(3):46-49.

[6] 戴文鸿,苗伟波,高嵩,等.弯道水流运动及床面变形数值模拟研究进展[J].南水北调与水利科技,2014(3):121-126.

[7] 高晓静.吕梁三川河交汇处堤防断面设计优化比选[J].水利规划与设计,2014(8):83-85.

[8] 郭维东,刘健,韩冬.分流对弯道水流水力特性的影响[J].人民黄河,2009(6):93-94.

Study on the influence of confluence angle on the bend circulation strength under the condition of curve intersection

LI Da

(LiaoningRenzhongwatersupplyCo.,Ltd.，Shenyang110166，China)

This study is based on the research results of the confluence flow characteristics under the condition of curve intersection at home and abroad.The tests were carried out after the flume test model was designed and built.With Doppler Current meter and other instruments,we analyzed the influence of the confluence angle on the circulation strength. The results can provide references for the analysis of river bed evolution and the establishment of river regulation measures.

curve intersection; model test ; circulation strength; inflow angle

李 达(1989-)，男，辽宁葫芦岛人，助理工程师， 主要从事输水工程调度运行管理工作。E-mail:zd17we@163.com。

P343.1

A

2096-0506(2017)02-0039-05