节制闸开度对分水口流速分布的影响

李 红 王文娥 胡笑涛 宋禹德 刘金良

(西北农林科技大学 旱区农业工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

节制闸是灌区渠系输配水控制流量的特设水工建筑物，主要与分水闸配合调节和控制分水口水位及流量，对渠道输配水及水流特性有重要影响[1-3]。我国北方灌区渠道底坡较缓，灌溉水流中泥沙含量较多，灌区分水口附近多数存在口门一侧冲刷、一侧泥沙淤积的问题，这不仅降低了渠道输水能力，而且阻塞渠道，严重影响渠道正常运行。其根本原因在于节制闸的调控与分水口分流，改变了顺直明渠水流流动方向与流速分布，引起水流结构的急剧变化，形成漩涡、回流等，造成泥沙淤积。因此，为合理调控灌区水量，解决分水口泥沙冲淤问题，需对节制闸控制下分水口附近水动力特性及其影响因素进行探究，以实现对灌溉流量的正常调控和渠道维护。

对明渠分流和汇流的水流运动规律研究开展较早：Taylor[4]于1944年对分水口水流结构进行了研究，发现分流量取决于主渠分流口水力条件；Neary等[5]对直角分汊明渠水流结构的研究发现，表层与底层流场差异较大，具有明显的二次流现象和三维特征；现有研究[6-7]探讨了明渠分流傅汝德数与分流比、收缩系数等之间的关系。曹继文等[8]探究了分水口角度对侧渠中回流区分布、口门断面紊动强度及局部水头损失的影响[9]。刘海强等[10]分析了侧渠底高对分水口处水力特性的影响，指出侧渠进口断面最大流速和水深随侧渠底高的增大而逐渐减小。也有研究分析了分水流量与渠道水位的关系，表明分水流量的变化幅度对渠道水位变化速率影响较大[11-12]。渠道分水口水力特性不仅受到渠系结构的影响，而且受到闸门调节系统的影响[2-3]，已有研究分别探究了不同的闸门调节系统和渠首流量下渠系水力特性的变化特征及闸门的调控效果，发现闸门调节系统对渠系水力特性的影响较大[11-12]。以上研究表明分水口结构参数及节制闸调控直接影响分汊渠道水位、流量及水流结构[12-13]。现有研究大多局限于节制闸调节或分水流量对渠道水位变化影响的单一研究，闸门开度对分水口处水力特性影响的研究较少。然而，渠系水流结构复杂且受到多种因素的影响[2,10]，分水口处流场分布更为复杂，尽管试验方法可以对断面流速、水深进行测定，但是耗时耗力且受外界环境因素的干扰可能会导致测定结果产生偏差。近年来，随着计算机的发展和应用，数值模拟在渠道水流特性方面的研究得到了广泛的应用[8,10]，数值模拟能够准确的反映不同边界条件下明渠水流的流场分布和水力特性。

本研究拟采用试验与数值模拟相结合的方法，对梯形渠道节制闸不同开度下分水口水力特性进行研究，分析节制闸开度(简称闸门开度e)对主渠道与侧渠道水位、流速的影响，明确分水口处水流变化规律，以期为灌区节制闸调控提供理论依据。

1 试验与模型设置

1.1 试验设置

试验于西北农林科技大学灌溉实验站进行。试验系统由蓄水池、泵、梯形渠道(主渠)、矩形渠道(支渠)、节制闸及直角三角形薄壁堰(2个)和回水渠道构成。节制闸为矩形平板闸门，宽30 cm，与梯形主渠底宽相同，闸门两侧与渠道侧壁之间使用两块三角形木板封闭。图1为试验系统及测点布置。

试验主渠道为梯形渠道，长30 m，底宽0.3 m，深0.6 m，边坡系数m=1.0，底坡为1/2 000。在距主渠渠首20 m处连接一矩形分水渠(侧渠)，长为7 m，宽和深为0.6 m，主渠与侧渠成90°夹角。主、侧渠道的糙率系数均为0.011。节制闸距离分水口下游端4 m。主渠道共设8个断面(Ⅰ，Ⅱ，…，Ⅷ)，其中断面Ⅰ位于分水口上游40 cm(表1)，由于分水口的作用，水流流线内侧低于外侧，为了详细分析分水口处水深变化规律，在分水口处共设置4个断面，即断面Ⅲ，Ⅳ，…，Ⅵ，各断面间距离相等为20 cm，每个断面均匀布设7个测点。距离分水口上、下游20 cm处布设Ⅱ、Ⅶ断面，每个断面均匀布设3个测点；在分支渠道下游水深稳定处布设断面Ⅸ，共9个测量断面37个测点，断面和测点的具体布置见图1。

表1 试验各断面位置及水深测点数Table 1 Test the position of each section and the number of water depth measurement points

直角三角薄壁堰流量采用公式Q=1.343H2.47计算，其中H为堰上水头，m；采用SCM60型水位测针测定水深，精度为±0.1 mm。

试验主渠来流量为15.3 L/s，对应闸门开度为0、1、3、5、7、9、10 cm。

A-A和B-B分别为分水口处横剖面和梯形主渠横剖面。Q为主渠来流量，Q1为梯形支渠分流量,Q2为分水渠流量。A-A and B-B section are respectively the cross-section of diversion and main channel cross-section.Q is the main channel flow,Q1 is trapezoidal branch diversion flow,and Q2 divide channel flow.图1 试验系统及断面测点布置图Fig.1 Layout of the test system and section measurement points

1.2 数值模拟模型设置

1.2.1控制方程

不同闸门开度条件下分水口水流流场数值模拟的控制方程包括连续方程和运动方程[2,10]。渠道内水流雷诺数大于2×105，为湍流。由于分水口处水流流线急剧弯曲，适宜采用RNGk-ε湍流模型，控制方程、湍动能k和耗散率ε的方程如下。

连续方程：

运动方程：

式中：ρ为流体密度，取1 000 kg/m3；t为流动时间，s；μi、μj分别为流速矢量在xi、xj方向的分量i=1,2,3；j=1,2,3)，m/s；p为流体压强，Pa；fi为流体所受的质量力，m/s2。

k方程：

ε方程：

控制方程采用模拟软件Flow-3D求解，自由液面采用TruVOF方法追踪。流项采取二阶迎风格式，扩散项采取二阶中心差分格式，设置最小步长为 10-6s。

1.2.2网格划分及边界设置

利用建模软件对渠系统进行三维建模，主、侧渠断面形状及尺寸与试验渠道相同(图1(b))，主渠长30 m、侧渠长7 m，数值模拟区域坐标原点选在侧渠进水口渠底(图1(b)中O点)，X方向为主渠水流方向，Y方向为侧渠主水流方向，Z方向为沿水深方向。由于分水口附近流场变化复杂，分水口附近网格加密，单元格长度为 0.01 m，其他区域单元网格为0.02 m，网格总量约为180万。模型中主渠进口边界设定为流量进口，进口流量分别设置为 15.3、20.0、25.0、30.0 L/s，每个流量对应闸门开度分别为0、3、5、7、9、10、11 cm；主渠下游出口和侧渠末端出口设为自由出流；渠道边壁及底部选择无滑移固壁边壁(wall)；自由水面以上为空气，相对压强为0。粗糙系数与实际试验系统相同，取0.011。

2 结果与分析

2.1 数值模拟可靠性验证

为验证模拟的可靠性，将实测水深与模型模拟的水深进行对比分析。选取与试验相同测点处的水深进行对比。图2示出主渠来流量为15.3 L/s,节制闸关闭(开度为0 cm)时分水口附近 Ⅰ，Ⅱ，…，Ⅷ 断面36个测点的水深实测值和模拟值分析结果，同时采用决定系数R2、纳什系数NSE和均方根误差RMSE 3个指标评价模型模拟的准确性。可见，模拟值与实测值吻合较好，模拟值与实测值的R2、NSE和RMSE分别为0.898、0.687和0.361，表明模型模拟效果较好，利用FLOW-3D可对渠道分水口处水力特性进行模拟。

图2 主渠道断面各测点水深模拟值与实测值对比Fig.2 Comparison of simulated and measured water depth at each measuring point of the main channel section

2.2 模拟结果分析

2.2.1水面线

3种来流量(Q=20.0、25.0、30.0 L/s)和5种闸门开度下主渠道分水口处沿程水深变化和节制闸前后沿程水深变化规律见图3和图4。

图3 3种来流量(Q)不同闸门开度(e)下主渠道分水口处沿程水深变化规律Fig.3 Changes rule of water depth at the main channel the diversion at 3 kinds of flow (Q)and different gate opening (e)

图4 3种来流量(Q)不同闸门开度(e)下节制闸前后沿程水深变化规律Fig.4 Changes rule of water depth along the front and back of the control gate at 3 kinds of flow (Q)and different gate opening (e)

不同主渠来流量和闸门开度下，梯形主渠靠近分水口处水深变化规律基本一致(图3)。总体来看，水深沿主渠道方向呈现先降低后升高再降低的趋势；水深最小值的位置在分水口上游段处，最大值的位置在分水口下游段处，且最大值位置点保持不变。这是由于一部分水流进入侧渠使靠近分水口上游段水位下降，另一部分水流由于扩散而产生横向流速，受到下游闸门阻力的影响，产生回流，使分水口下游端水位壅高。

由图4可知，不同主渠来流量下，节制闸前水面较为平稳。同一主渠来流量下，闸门开度为0、3、5、7和9 cm时闸前水位小幅度上升，水流从闸门底部流出，流速较大形成收缩断面且收缩断面随闸门开度增大向下游推移；当来流量为20.0、25.0、30.0 L/s对应闸门开度e为10、11、12 cm时，闸前和闸后水深基本保持不变，已达到堰流特征；不同来流量下闸门开度变化时，水流会呈现堰流和闸孔出流交替出现的现象。当来流量在20～30 L/s变化时，闸孔出流和堰流的临界值出现在闸门开度为9～12 cm，相对闸门开度e/h(闸门开度与闸前稳定水深之比)变化为0.78～0.81。理论上，当闸底坎为平底时，e/h>0.65为堰流，e/h≤0.65为闸孔出流[16]，但张敬楼[17]、邱勇等[18]、袁新明等[19]认为其值未考虑闸门形式与布置、主渠来流条件及上下游水位和闸后水流流态等，且2种水流状态的变换分界值并不是一个固定的值，而是有着一定变化范围的数值[20]。由于本研究水流受闸门两侧木板引起的水流突然收缩的影响，使闸前自由水面不是水平面，靠近闸门中间位置水面最低，两侧水面逐渐升高。图5给出了主渠来流量Q为25 L/s、闸门开度分别为10 cm(闸孔出流)和11 cm(堰流)时，节制闸上游50 cm范围自由水面形状。由于闸门上游两侧水面高于中间位置，当e/h>0.65时，闸门中间位置水流已经脱离闸门下缘，但两侧还受闸门限制，需增加闸门开度才能完全的形成闸孔出流，使得临界相对闸门开度值大于理论值。

图5 来流量为25 L/s时2种闸门开度(e)下节制闸上游50 cm范围自由水面形状Fig.5 Shape of the free water surface in the range of 50 cm upstream of the gate controlled under the two gate opening (e)degrees at the flow speed of 25 L/s

2.2.2闸门开度对主渠道断面流速分布的影响

由于主渠水流流经分水口时会发生分流，导致其附近断面流速分布也发生变化，而且节制闸在不同开度下对断面水流流速也有着一定的影响。当闸门开度超过临界开度后，主渠水流已全部脱离节制闸控制，形成堰流。为更好地分析闸孔出流下主渠各断面下三维流速的变化，本研究通过模型模拟了不同闸门开度下各断面流速变化特征。

图6示出同一流量，不同闸门开度情况下，主渠各断面垂线平均流速(垂线平均流速采用两点法计算)分布图，其中包括垂线纵向平均流速u(沿主渠X方向)、垂线横向平均流速v(垂直于主渠X方向)、垂线垂向平均流速w(垂直于渠道方向)，为简化描述，在后文中统一采用纵向流速、横向流速和垂向流速替换。可知，随着开度增大，纵向流速平面分布逐渐恢复成对数型。具体分析如下：随着闸门开度增大，主渠水流受到阻力减小，流速分布干扰也逐渐减小。靠近分水口上游端断面Ⅱ和断面Ⅲ的横向流速高于断面Ⅰ，而闸门使主渠水流壅水，部分水流产生回流现象，致使断面Ⅵ靠近右岸的横向流速高于断面Ⅴ。由于主渠中水流经过分水口时受惯性和分水口处离心力的作用，使水流在主渠和侧渠产生流动分离现象，所以，分水口处横向流速变化较大。由图6中纵、横向流速可知，分水口处下游纵向流速减小，而横向流速骤然增加，是由于主渠中部分水流流向侧渠所致，使该区域水量的动量交换频繁，受扰动更加强烈。分水口上游端断面Ⅲ的横向流速呈先增大后减小的趋势由于受侧渠边壁的阻碍作用；靠近分水口处，断面Ⅲ的横向流速小于断面Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ。由垂向流速分布可知，不同闸门开度下分水口处垂向流速变化较大，随着闸门开度的增大，靠近分水口处断面Ⅵ的流速越大，远离分水口处断面Ⅰ和断面Ⅱ趋于稳定。由于分水口垂向流速的分布，上下层流速均参与分流，且越靠近分水口垂向流速越大，分流现象越明显。

Y方向为以侧渠进水口渠底为原点的侧渠主水流方向，图7同。Y direction is the side channel flow direction from the bottom of the side channel as the origin,Fig.7 below is the same.图6 来流量为30 L/s时不同闸门开度(e)下主渠各断面垂线平均流速分布Fig.6 Vertical average velocity distribution of each section of different gate openings (e)at flow speed of 30 L/s

2.2.3闸门开度对分水口区域流速分布影响

本研究以梯形渠道为主渠道，分析了不同来流量和闸门开度下侧渠进水口处水流流速变化规律。相比矩形渠道，梯形渠道的水流流速在分水口附近变化更加复杂，因此，针对梯形主渠与矩形侧渠相接的分水口区域流速分布规律进行了详细分析。

图7示出来流量为30 L/s时不同闸门开度下分水口区域表层和底层流速分布可知，流速峰值随着闸门开度的增大而增大，流速最小值越靠近中心位置，且表层流速大于底层流速。主流区向侧渠下游右岸偏移，在侧渠靠近左岸流速降低，形成不稳定漩涡和回流，在渠道实际运行中对泥沙淤积的位置产生影响。由于分水口的影响，水流进入侧渠时受离心力的作用，使水流在分水口上唇段与左壁分离，产生回流，主流区偏向侧渠右壁、冲击右壁，在渠道侧壁的作用下流速大小及方向发生改变。其他来流量下该区域流速变化规律相似。

h1为分水口处水深 h1 is the water depth of the diversion图7 来流量为30 L/s时不同闸门开度(e)下分水口区域表层及底层流速分布Fig.7 Velocity distribution of surface and bottom of the diversion area of different gate openings (e)at flow is 30 L/s

3 结 论

节制闸是渠道中主要的控水建筑物，渠道中水流受节制闸调控而产生水力扰动，其中分水口处水流变化最为剧烈。本研究通过实测试验并结合FLOW-3D模拟软件对多种组合工况进行计算分析，得出以下结论：

1)梯形主渠分水口处沿程水深变化规律基本一致，整体变化趋势为先降低后升高再降低。当来流量为20～30 L/s时，闸孔出流和堰流的临界值出现在闸门开度为9～12 cm，相对开度为0.78～0.81，即堰流和闸孔出流的分界并非一个定值，受渠道形状、闸墩形状、流量等因素影响。

2)随着闸门开度增大，主渠水流受到阻力减小，流速分布干扰也逐渐减小，纵向流速平面分布逐渐恢复成对数型分布；由于分水口分流的作用，分水口区域横向流速较纵向流速和垂向流速变化剧烈。

3)分水口区域表层流速变化大于底层流速，随着闸门开度的增大，在越靠近分水口中心的区域流速值越小，该区域易形成漩涡与回流区。