棱锥体结构对弯道水流的改善与布置参数优化研究

张桂金

(建平县白山水库管理处，辽宁 建平 122400)

1 研究背景

水利工程实践中，多数天然河道均具有蜿蜒、弯曲的平面分布形态。在河流的弯道中，水流将出现水面横比降、二次环流等复杂的流动现象[1]。天然河流的流动都属于紊流状态，紊流是与流体的运动密切相关的，在复杂水流结构条件下，紊流的各向异性将体现出来[2]。自1876年J.Thomson通过试验首次发现弯道螺旋流以来，弯道水流便一直受到国内外相关专家和学者的强烈关注[3]。他们普遍认为，弯道产生的复杂流动结构会对河岸的稳定性产生影响，因此需要布置相应的护岸工程[4]。根据弯道水流的流态，可将其划分为弯道急流和弯道缓流[5]。急流的水流流态更差，会对河岸产生更强的破坏性，所以弯道流态改善的研究主要针对弯道急流展开，本文研究的范围也属于弯道急流。近年来，随着我国进一步加大在水力资源开发以及河道整治工程领域的投资力度，许多工程建设中都需要对河道的弯道流态进行改善[6]。从目前已有的工程实践来看，主要有超高法、丁坝以及调整池等[7]。上述方法设施各有优劣，往往需要结合使用，优势互补[8]。为了进一步丰富和优化弯道水流流态改善的工程技术手段，在借鉴相关研究成果的基础上，本文提出了一种钢筋混凝土三棱锥体结构，其四面中有两面临空，一面与河岸贴合，其临空面又包括与上游来流方向成一定夹角的面，以及一个下游端面。此次研究主要通过模型试验方式，对三棱锥体结构对弯道水流改善的作用进行分析，并对其布置参数进行优化。

2 试验模型

模型试验主要观测和计算弯道水流的流速、水面形态以及水位，因此，模型设计遵循重力相似性原则[9]，对模型水槽尺寸进行选择和设置。

试验模型由供水系统和水槽两大部分构成。水槽的断面为矩形，长度为4.56m，宽度为25cm，高为0.35m，主要由两端的直段和中间的弯道段构成，弯道段的圆心角为90°，半径为1.2m。模型采用循环式供水系统，主要包括水箱和水泵两大部件。水泵为额定流量30m3/h的潜水泵；水箱为长1.5m、宽0.8m、高0.5m的矩形结构，其中设有隔板和流量调节板，可以实现流量的调节，使水流能够按照设定的流量平稳进入水槽[11]。

试验中使用的三棱锥体采用有机玻璃制作，其宽度为30mm，长度为60mm，高度为26mm(见图1)。

图1 三棱锥体模型

3 试验设备

由于三角形堰具有比矩形堰更高的测量精度且本次试验的流量相对较小，因此采用三角形薄壁堰进行试验中的流量测定[12]。流量计算公式为

式中Q——流量，m3/s；

H——堰上水头，m；

θ——三角堰的角度，(°)；

g——重力加速度。

试验中利用旋浆式流速仪测量水槽中的水流流速，其测量范围为0.01～4.00m/s，测量过程中每个测点重复测量三次，将其均值作为最终测量结果，以提高测量数据的精度和准确性[13]。水面线的测量用钢尺进行，每个测点同样测量三次，以其均值作为最终测量结果[14]。

4 试验方案设计

鉴于本文提出的三棱锥结构属于一种弯道抗水流对河岸冲刷的工程设施，研究中参考以丁坝为主的传统干扰弯道水流工程设施，提出了将三棱锥的设置位置以及设置数量作为主要变量，与不设置椎体方案进行对比试验，以判断设置三棱锥结构对改善弯道流态的作用[15]。基于上述思路，确定如下的试验方案：对于棱锥体的布置位置，选择在水槽弯道段的凸岸上游至下游的1/4、1/2和3/4部位，棱锥体的设置数量分别为1个、2个和3个，并将无丁坝方案作为对比方案。每种试验方案设置6m3/h、8m3/h、10m3/h、12m3/h、14m3/h五种不同流量(见表1)。

表1 试验方案设计

5 试验结果与分析

5.1 单椎体布置方案试验结果与分析

根据试验过程中测量并记录的方案1～方案4的水深数据，对弯道段的水面均匀度进行计算，根据计算结果绘制不同椎体位置的水面均匀度随流量的变化曲线(见图2)。由图2可知，方案1和方案2的水面均匀度随着试验流量的增加而增加，方案3和方案4的则存在一定的波动性，但是整体上仍呈现出不断上升的变化特征。从各方案的对比来看，在流量相同的情况下，方案2、方案3和方案4的水面均匀度值均明显大于方案1，这说明在弯道段设置本文提出的椎体结构，可以显著改善弯道流态，具有一定的工程应用价值。从单椎体设置的各方案对比来看，水面均匀度最高的是方案3，其次是方案2和方案4。从水面均匀度改善效果来看，如果设置单椎体，应该设置在弯道凸岸的1/2部位。

图2 单椎体方案水面均匀度变化曲线

利用试验中获取的水深数据，计算不同单椎体试验方案下的弯道水面最大横比降，根据计算结果绘制单椎体方案水面最大横比降变化曲线(见图3)。由图3可知，水面横比降的变化特征与水面均匀度类似，均随着试验流量的增加而增加。从不同试验方案的对比来看，方案1的水面横比降值最大，方案2和方案4的计算结果相对比较接近，方案3的水面横比降值最小。从水面横比降来看，设置锥体结构可以起到显著的改善弯道流态效果，并且将椎体设置在弯道凸岸的1/2部位的效果最佳。

图3 单椎体方案水面横比降变化曲线

5.2 多椎体试验结果与分析

利用试验中获取的试验数据，计算获取多椎体方案下相对于方案1的水面横比降减小率，并以单椎体条件下的最佳方案，也就是方案3作为对比方案(见表2)。由试验结果可知，水面横比降的减小率会随着椎体设置数量的增加而增加，这说明设置的椎体的数量越多，改善弯道水面流态的效果就越好。而当设置三个椎体时，可以获得最佳的水面流态改善效果。例如，在试验流量为14m3/h的情况下，单椎体的水面横比降减小率为20.27%，双椎体设计方案的水面横比降减小率最大值为37.23%，三椎体设计方案的水面横比降减小率为51.13%。

表2 多椎体方案水面横比降减小率

利用试验中获取的试验数据，计算获取多椎体方案下相对于方案1的水面均匀度提高率，并以单椎体条件下的最佳方案，也就是方案3作为对比方案(见表3)。由试验结果可知，水面均匀度增加率会随着椎体设置数量的增加而增加，这说明设置的椎体的数量越多，改善弯道水面流态的效果就越好。特别是设置三个椎体时，可以获得最佳的水面流态改善效果。例如，在试验流量为14m3/h的情况下，单椎体的水面均匀度增加率为7.42%，双椎体设计方案的水面横比降减小率最大值为22.34%，三椎体设计方案的水面横比降减小率为30.68%。

表3 多椎体方案水面均匀度提高率

6 结 语

布置合适的护岸工程对减轻和避免弯道水流对河岸稳定性的影响具有重要作用。本文通过模型试验的方法，研究了棱锥体对弯道水流流态的改善作用，并探讨了设置位置和设置数量的具体影响，研究结论对相关河道护岸工程设计具有重要的借鉴意义。当然，椎体结构对弯道水流流态的改善作用，不仅和设置的位置及数量有关，而且与棱椎体的几何参数也存在明显的关联，需要在今后研究中，对棱锥体几何参数的影响进一步进行试验和研究，以丰富和完善本文研究成果，提高研究成果的实际应用价值。