液压坝群对变曲率河道水力特性的影响

梁荣荣 任春平 吴金森

摘要：通过在变曲率水槽中加入液压坝群，研究了4种工况下水槽轴线上纵向流速沿垂线的分布、紊动能及水面变化特性。结果表明：①无液压坝时，变曲率河道中顺直段的垂线流速最大值出现在距水槽底部0.4倍水深处：在过渡段及弯顶附近近水面流速最大;加入液压坝群后，各液压坝上游断面沿水深方向的流速变化很小，最大值出现在距槽底0.4倍水深处，而各坝下游断面流速分布及大小差异较大。②对于4种不同工况，紊动能沿水深方向均减小。液压坝的存在减小了河道中水流的紊动能，无液压坝与液压坝全部竖起时各水深处紊动能均值沿水深方向的比值分别为1.80（距槽底0.8倍水深处）、3.02（距槽底0.4倍水深处）、5.92（距槽底0.2倍水深处），表明液压坝对近槽底处紊动能的影响更大;当液压坝的中间扇放倒后，河道紊动能沿程分布变化较大，且紊动能值也较其他工况大，呈波浪式分布。③竖起的液压坝越多，最末级液压壩上下游水位差越大，最大为0.245倍静水深。

关键词：紊动能;垂向流速分布;水面线;液压坝群;变曲率河道

中图分类号：TV135;TV131.2

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.004

液压坝是一种新型的可自动升降的拦河活动坝，具有挡水和泄水双重功能，在国内蓄水及城市美化工程应用中多以液压坝群的形式出现。由于液压坝实际应用时间较短，因此关于液压坝的研究较少。如：张金等[1]根据液压坝设计实例，结合传统拦河活动坝，指出其具有施工成本低、运行安全可靠、后期维护简便等优点;饶和平等[2]分析了现代水利工程活动坝中的橡胶坝、翻板坝和液压坝的优缺点，认为液压坝优点突出，值得广泛应用和推广;谢良平[3]利用物理模型对液压坝泄流特性进行了试验研究，结果表明液压坝全部竖起正常挡水运行时类似矩形薄壁堰流，液压坝两边竖起、中间放至不同角度时类似于矩形薄壁堰与三角薄壁堰的结合体，液压坝两边竖起、中间完全放倒时类似于宽顶堰堰流。对于中小河流来说，在河道上连续修筑多座液压坝可以达到重建水系、恢复植被、涵养水源和优化配置水资源的目的，进而实现生态修复。更重要的是，液压坝群的作用可以由防洪、排洪向洪水管理、洪水利用转变。但是，由液压坝引起的河道淤积问题需要高度重视，特别是当河道上连续修筑多座液压坝时。

目前，有关学者对橡胶坝、丁坝及导流板等挡水建筑物的研究较多[4-18]，但研究的大多是坝体本身，也有少数人研究了坝体对河道水力特性的影响，但都局限于顺直河道。本文探讨了液压坝群对变曲率河道轴线上水力特性的影响，以期为液压坝群的设计和运行管理提供参考。

1 试验简介

试验在天津大学河流海岸工程泥沙实验室变曲率水槽中进行，试验平面布置见图1。水槽由有机玻璃弯道段、上下游水箱、两个过渡直道段、循环水泵及连接管道组成。每个弯道段中轴线表达式为ψ=Osin（2πS/M）（ψ为实际偏角，0为最大偏角，该试验模型最大偏角为30°，S为该点下游曲线长度，M为单个弯道段的曲线长，M =2 000 mm）。水槽断面尺寸为600 mm×600 mm（宽×高），轴线总长度为19 350mm，入口直段长5 135 mm，出口直段长1 000 mm。为保证水流平稳，在水流入口区域设置有蜂窝格栅。

试验水流为恒定非均匀流，水槽中设置3道液压坝（坝体侧视图见图2），分别位于直道段（1#坝）、直道与弯道连接处（2#坝）及弯顶处（3#坝）。每道液压坝共有3扇（见图3）。采用同一流量，根据液压坝的升降情况分为4种工况（见表1）。每种工况下测量8个断面，测量断面分别在各液压坝的上下游各500 mm处及1#坝上游1435 mm处、2#坝下游1 200 mm处，各断面分别命名为A、1U、1D、2U、2D、B、3U及3D，其中U表示该液压坝上游断面，D表示该液压坝下游断面。每个断面上测得中轴线上的水深及中垂线上3个点（0.2H、0.4H、0.8H，H为该断面水深）的流速。试验中采用电磁流量计测量流量，采用声学多普勒流速仪（ ADV）测量流速（见图4），ADV采样频率为100 Hz.精度为0.001 mm/s，测点为发射点下方5 cm。图5（u、v、w分别为纵向、横向、垂向流速）为工况2时3U断面0.8H处3个方向的流速变化曲线。

2 液压坝群对变曲率水槽流速分布的影响

2.1 流速分布趋势

在不同工况下，采用ADV测量各断面垂线测点的纵向瞬时流速，求出其时均值，进而分析纵向时均流速沿垂线的变化规律。图6为各工况下8个测量断面上流速沿水深的分布情况。

由图6可知，变曲率水槽中各工况下同断面垂线流速分布情况不同：①工况1（即不存在液压坝）下A、1U、1D断面近底流速最小，近水面稍大，流速最大值出现在距槽底0.4H处;而在直段与弯曲段过渡部分（2U、2D、B断面）近底流速最小，近水面流速最大;在弯顶的上下游（3U、3D断面）流速分布与上游段则相反，3D断面0.4H处流速最小。②工况2下，受液压坝影响，各液压坝上游断面流速沿水深方向变化较小，近水面流速比近底流速稍小;而各坝下游断面流速分布及大小差异较大.1#坝下游断面近底及0.4H处纵向流速为负，最大值出现在0.4H处，水面附近流速为正。2#坝下游断面近底流速为负值且值最大，0.4H处流速为正，水面附近流速最小。3#坝下游断面流速分布接近直线，整体上负下正且水面和近底值均较大。③工况3下，各液压坝上游断面流速分布类似且流速大小相差很小，近水面流速小、近底流速大;各液压坝下游断面流速分布均匀。④工况4与工况2相似，各液压坝上游断面流速分布相同，大小相差较小，但各坝下游断面流速分布相差较大，ID断面近水面处流速最大，最小值出现在0.5H处，2D断面受2#液压坝中间扇竖起的影响，近水面及中间部分均为负值，近底流速为正值，3D断面流速分布近似直线，水面附近流速最小，而底部流速最大。

由图7可知：工况1下近水面流速与近底流速之差与断面平均流速的比值约为0.2，其他工况波动剧烈，且比值正负变化;波动最剧烈的是工况2，波动幅值为1～ -4，最大值在3D断面;工况3的波动幅值为0.2 ～ -2.最大值在1D断面;工况4的波动幅值为0.4 ～ -3，最大值在B断面。各工况的最值均出现在液压坝下游，表明液压坝下游的近水面与近底流速差值最大。

3 液压坝群对变曲率水槽紊动能分布的影响

紊动流速可反映水流的紊动强度，其有大小和正负之分，一般用脉动流速的均方根来表征水流的紊动强度。纵向紊动强度计算公式为

由以上4种工况总体来看：紊动能k0.8H>k0.4H>k0.2H，即越接近水槽底，紊动能越小，但每种工况下的紊动能沿程分布有所不同。工况1下，各水深处紊动能沿程减小，3D断面各水深处值大致相等，0.8H水位在2D断面处突然变大.A断面受循环水泵影响，紊动能最大。工况2下，各水深处的紊动能沿程大致不变，在3U断面有所减小，与工况1相比，各水深各断面处的紊动能都有所减小，各水深处紊动能均值的比值为：k0.8H1=1.8 k0.8H2，k0.4H1=3.02 k0.4H2，k0.2H1=5.92×k0.2H2（k0.8H1为工况1下距槽底0.8倍水深处各断面紊动能的平均值，依此类推），表明液压坝群对近槽底的紊动能影响更大。工况3下，紊动能沿程分布变化较大且紊动能值也较其他工况大，呈波浪式分布，0.8H的紊动能最大值出现在1U断面，下游呈波浪式减小，而在IU断面上.0.4H和0.2H处的紊动能相当且最小，3D断面上各水深处紊动能相等。工况4与工况2的紊动能沿程分布相似，沿程变化不大，但在2D断面工况4受2#坝中间扇竖起的影响，各水深处的紊动能明显减小。

4 液压坝群对变曲率河道水面线的影响

4.1 各工况水面线

不同工况下，采用ADV自带的水深测量功能对各断面中轴线上的水深进行测量。各工况下的水面线见图9。总体来看，3#坝上游工况2下的水面线最高，工况1的水面线最低。2#坝上游工况4的水面线高于工况3的，下游则相反。工况1下，除A和IU断面外，其他断面水面线大致保持水平;而工况2下总体水面线上升，在液压坝上下游有明显的变化，但3#坝的水位变化最大。工况3由于液压坝中间扇均放倒，因此水面线变化较小，在1#、3#坝上下游略微下降。工况4下受2#坝中间扇竖起的影响，该断面上下游水位变化很大，但断面下游水面线无明显变化，上游的1#坝下游略微下降。

5 结论

（1）无液压坝时，变曲率水槽顺直段轴线上纵向流速沿垂线的最大值在距槽底0.4H处，在过渡段及弯曲段的流速最大值出现在近水面0.8H处;水槽中加入液压坝群且全部竖起后，各液压坝上游断面垂线流速沿水深方向变化很小，流速分布均匀;而各坝下游流速分布及大小差异较大，流速最大值的水深都不同，且3座液压坝下游的各断面上的最大值均为负值，即出现回流;液压坝群的中间扇放倒而其他扇竖起时，各液压坝上游断面流速分布趋势类似且流速大小相差很小.0.4H水深处流速稍大，各液压坝下游断面流速沿垂线变化很大，近底处流速最大;当各液压坝的两侧扇竖起而部分中间扇放倒时，各坝上游断面流速最大值出现在0.4H处，各坝下游断面流速分布差别较大。

（2）工况1下近水面流速与近底流速之差与平均流速的比值约为0.2，其他工况下该比值沿程变化较大且出现负值，即近水面流速比近底流速小。

（3）在液压坝运行的各种工况下，紊动能沿水深方向均减小。

（4）液压坝对变曲率河道的水面线影响较大，竖起的液压坝越多，最后一道液压坝上游的水面线越高：最后一道液压坝上下游水位差最大，因而在液压坝群运行过程中要注重最末级液压坝的消能。

（5）存在液压坝时，各液压坝上下游水位差与初始静水位之比在工况2下的末级最大，H3U - H3D=0. 245 H静，工况4下2#坝次之，H3U - H3D=0.119H，其他比值均在0附近。

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【责任编辑 翟戌亮】

收稿日期：2018-05-08

基金项目：水利工程仿真与安全国家重点实验室开放基金资助项目（HESS - 1406）：中国博士后基金资助项目（2013M541179）;太原理工大学校基金资助项目（2017MS07）

作者簡介：梁荣荣（1991-），男，陕西成阳人，硕士研究生，研究方向为河流动力学