铜城闸进水流态及改善措施

奚 望,陆伟刚,徐 波

(扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏 扬州 225009)

位于三岔河口的水工建筑物进水流态往往分布不均、水流紊乱,进而影响总过流量和建筑物安全．针对明渠交汇口流态和水工建筑物的复杂进水流态,研究者进行了大量研究: Zeng[1],Yuan[2]等研究总结了正交明渠水动力场的流速、应力、紊流动能等水力数据及其分布情况,并得出部分进流模式和明渠交汇流的一般规律;Luo[3],Huang[4],魏文礼[5]等研究了不同交汇角的明渠交汇区域的流态和自由液面变化,发现交汇角度越大,交汇口各特征横断面水流流速分布越不均匀;Weber[6]和茅泽育[7]等使用物理与数值模型相结合的方法分析等宽明渠交汇处的流动特征,发现断面环流是流量较大的交汇口水流三维流动的重要特征;Cheng[8]和刘厚林[9]等对侧向泵站进水三岔口流态进行研究,发现导向分离器可促使流速分布均匀,并对泵站流道提出优化方案;王月华[10],严培[11]等采用三维模拟和物理模型研究弯道水流的优化形式以减少冲刷,同时提出优化的消能措施．以上研究对象均为人工河渠,但天然三岔河口复杂多变、无明显交汇角,往往需要就实际情况进行分析研究．本文以位于天然三岔河口的铜城闸为研究对象,利用明渠面层数字粒子图像测速(digital particle image velocimetry,DPIV)系统和化学粒子示踪法,对试验模型中不同工程措施下的进水流态进行分析和比较,为改善天然三岔河口处的水闸进水流态提供可借鉴的工程方案．

1 模型及数据

1.1 试验模型

图1 铜城闸总体布置示意图(a)和试验模型照片(b)Fig.1 The overall layout of Tongcheng Gate (a) and the model picture (b)

1.2 数据采集

试验通过流量计及阀门控制模型进水流量,通过闸门和下游出水口叠梁式溢水板调节水位.当流量、水位稳定后采集流场数据．流量采用LDY-250S一体型电磁流量计(上海光华仪表有限公司)和直角三角堰互校测量;水位采用WYG-Ⅲ型无线测控智能水位仪(南京水利科学研究院研制)以及测压管、标尺互校测量;面层和底层流场分别采用DPIV表面流场测量系统、化学粒子示踪法进行测量．

图2 特征断面位置示意图Fig.2 Diagram of the section position

选取水位差最大的消能工况即铜城闸上游水位10.10 m,下游水位5.60 m,过流量560 m3·s-1时的进水流态进行分析．选取如图2所示的3个特征断面进行流速分布分析,每个断面设置50个等间距测点测定面层流速．

1.3 偏心度计算

为了对三岔口的流态进行定量评价,采用最大流速偏心度参数评价过流断面上最大流速点与断面中心的偏离程度．断面k上的最大流速偏心度fk=2lk/l,式中l为过流断面宽度,m;lk为断面k上流速峰值点至断面中心点的距离,m,当断面流速峰值点不明显时,将2个临近的较大流速位置的中点至断面中心点的距离作为lk．

2 研究方案

图3 铜城闸整流方案Fig.3 Rectification schemes of the Tongcheng Gate

为改善铜城闸进水流态,在铜城闸前分别增加导流墩、消力坎、梅花型消力墩、Y型导流墩、斜降鱼嘴边坡、抛石底坎、延长翼墙的三岔处外伸段等工程措施进行试验．通过对模型水流和流场图的初步观察,筛选出2种对铜城闸进水流态具有明显改善效果的改进方案: 方案1,在铜城闸上游右侧翼墙前延伸处增设斜降鱼嘴边坡,坡比为1∶3.5,边坡与河堤夹角为30°,坡脚最远点深入河道0.5 m(实际工程30 m);方案2,在方案1基础上增设抛石底坎,长1.2 m,宽0.03 m,高0.01 m(实际工程长72 m,宽1.8 m,高0.6 m)．具体的方案示意图如图3所示．本文就这2种工程措施在典型工况下的流场、流速分布进行分析,进一步验证其可行性和流态改善效果．

3 结果分析

3.1 进水流态分析

通过tecplot软件分析数据得到不同研究方案下的流速云图、流速矢量图,以及化学粒子示踪法显示的底层流场情况,结果如图4所示．由图4(a)的流速云图可见,原方案中的后河流速较大,水流偏向河道中心右侧,进入三汊河的分流偏向河道中心左侧．流速矢量图显示铜城闸前流态紊乱且进闸水流偏转角较大,铜城闸右侧流速矢量方向与闸墩中心线方向的最大偏角达35°,而进水闸左侧存在反向流速矢量,形成漩涡．从底层流场可见,在铜城闸前翼墙段的进流迹线与闸墩中心线方向的偏转角较大,闸两侧均出现旋涡,且左侧闸前旋涡更靠近闸室．上述流态的形成原因是三岔口河道向右呈弧形弯曲,而铜城闸前连接段较短,无法有效调整进水流态,因此闸右侧进流较快．同时,三岔口的水流受离心力影响冲击弯道外侧堤岸,由于闸前右侧河堤长度较短,流入铜城闸的部分水流撞击水闸右翼墙后不能及时调整流向,出现较大偏转角,形成闸前流态紊乱．

图4 不同方案下的铜城闸流速云图、流速矢量图和底层流场Fig.4 Flow rate cloud map,flow rate vector diagram and bottom layer flow field of Tongcheng Gate in different scheme

由图4(b)的流速云图可见,在方案1中,后河主流的偏转角度减小,三岔口处的流速分布较均匀;铜城闸右侧进水流速略大,但进闸左、右两侧流速偏差与原方案相比减小．流速矢量图显示进闸水流矢量与闸墩中心线方向的偏角也减小,其最大偏角减小至11°,而闸左侧流速略小,仍有低速旋涡存在;进入三汊河的分流,水流偏向河道中心左侧,流速略大．从底层流场可见,铜城闸的进流偏转角很小,水流基本顺直．由图4(c)的流速云图可见,方案2中的后河水流沿流向在三岔口前偏向进一步减小,进入三汊河的分流偏心度减小．流速矢量图显示铜城闸进流流向与闸墩中心线方向基本一致,最大进流偏转角仅为4°,水闸进流平稳,进入三汊河的分流略偏向河道中心左侧．从底层流场图可见,铜城闸底层进流顺直．2种改进方案对铜城闸进水流态均有较好的改善效果,方案2与方案1相比,铜城闸进水流态进一步改善,方案2进流偏心度较小,进流更平顺,进入三汊河的分流对河道和河堤冲刷减小．

3.2 最大流速偏心度分析

最大流速偏心度可定量分析各断面高流速区偏离河道中心的程度,量化水工建筑物进水流态的优劣．在顺直河道中,河道中心流速最大,靠近岸边的流速较小,断面流速呈抛物线分布,此时fk=0,流态最佳；fk越接近1,说明高流速区越偏离河道中心．表1为铜城闸各断面的最大流速偏心度对比结果．由表1可知,原方案断面2的偏心度高达0.72,高流速区偏离河道断面中心较远,说明闸前流态紊乱,各孔过流量不均,断面3偏心度达0.64,说明其主流偏向河岸,对分岔处河岸冲刷严重．方案1、2中各断面上的最大流速偏心度与原方案相比均减小,特别是方案2的最大流速偏心度减小更明显．说明研究方案使三岔口流态得以改善,对铜城闸前进水流态和下游分流对河岸的冲刷现象均具有明显改善效果．

表1 不同方案中各断面的最大流速偏心度Tab.1 Maximum flow velocity eccentricity of each section in different schemes

3.3 特征断面流速分析

利用tecplot软件分析DPIV采集的数据,得出3个特征断面的流速分布图,结果如图5所示．由图5(a)可见,在原方案中,后河断面1处流速较大,最大流速约为1.6 m3·s-1,主流沿流向偏河道中心右侧,这主要是受三岔口弧形河势和分流流态的影响．闸前断面2处的流速波动较大,最大流速约为1.3 m3·s-1,进闸水流速度分布不均,右侧流速较大,这是由于闸前整流段较短,水流因惯性在撞击三岔口右侧河堤和翼墙后急剧改变流向造成的．三汊河断面3处的最大流速约为0.9 m3·s-1,主流偏向河道中心左侧,冲击外侧堤岸,这主要是河势和水流惯性造成的．总之,原方案中铜城闸进水流态不平顺,有待改善．

图5 不同方案下的铜城闸各断面流速图Fig.5 Flow velocity map of each section of the Tongcheng Gate in different schemes

由图5(b)可见,方案1中,断面1、2处的主流都在河道中间,最大流速约为1.3 m3·s-1;断面3处最大流速约为1.2 m3·s-1,略偏向河道中心左侧,但最大流速偏心度减小,对河岸冲刷减小．说明改进方案1采用的斜降式鱼嘴边坡工程措施对铜城闸进水流态改善具有一定效果．由图5(c)可见,方案2中,断面1、2处的流速分布均合理,主流位于河道中心,最大流速分别约为1.7,1.4 m3·s-1,与方案1相比,水流的波动减小,整流效果显著;断面3处的最大流速约为1.6 m3·s-1,水流略偏向河道中心左侧,但最大流速偏心度明显减小,对河岸冲刷减小．这主要是因为位于河道分岔处的鱼嘴边坡可以随水位变化调整分流量,鱼嘴边坡也是铜城闸翼墙前的岸墙消力坎,它可以调整三岔口下游河道分流的流向和流态、改善水流惯性造成的不良流态．在斜降式鱼嘴边坡延长的河底增加抛石底坎,可以进一步改善下游河道流态和水流分布．综上,采用斜降鱼嘴边坡或斜降鱼嘴边坡加抛石底坎的措施,都可以在一定程度上改善三岔口进水流态,最终的设计方案选择还须结合工程投资、具体地形等实际情况综合考虑．