导流洞不同入汇比对出口区水流特性影响研究

李 勇，刘 进

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 430071)

在自然中，不同的主支流交汇形成庞大的水系，交汇现象非常普遍，导流洞与河道的交汇是主支流交汇形式之一。一般而言，水流交汇处的水流结构复杂、流态差，对交汇区的冲刷破坏严重，增加了交汇区的防护修复工作的难度。李和[1]对模袋混凝土在河道交汇防护中从设计、施工、质量控制和常见问题处置进行了介绍；高晓静[2]对吕梁三川河交汇处堤防进行了重力式浆砌石和扶壁式钢筋混凝土堤防断面比较分析，最终采用扶壁式钢筋混凝土堤防结构型式。为了更好地对交汇区进行堤坝防护，对交汇区水流特性进行深入研究是十分必要的，众多国内外学者运用数据统计、模型试验以及数值模拟的方法探究了不同入汇角和不同入汇比情况下主支流交汇区的水流特性。

针对入汇角为90°的明渠交汇，相关研究较为丰富。王协康等[3]、刘同宦等[4]研究了不同入汇比条件下交汇区的水流特性。结果表明：①支流入汇后会对主槽水流产生顶托作用，使得主流在入汇口的上游一段范围内形成雍水；②主支流在交汇区强烈掺混，主流受支流影响向非入汇侧偏移，使得过流断面减小；③支流一侧出口下游不远处形成分离区，分离区随着入汇比的增加而扩大。张挺等[5]、刘同宦等[6]发现随着支流入汇比的减小，主支流水流流线中间的分界线向入汇口一侧偏移，驻点的位置也从主槽的左岸向支渠的右岸偏离。分离区的尺寸随支渠入汇比的减小而减小，但形状参数D/L基本保持在0.166不变。

对于入汇角小于90°的交汇亦有不少研究。刘同宦等[7]探究了主支流入汇角为30°时的交汇区水流特性，试验表明该水流特性与入汇角为90°时相似。周舟等[8]研究了干支流交汇角分别为30°、45°、60°、90°情况下的交汇区水面形态特征。试验表明，在交汇区，水面并不是呈现单一比降的，而是中间高两边低的形态。对于同一个交汇河段，交汇区的水面形态受入汇比的影响极大。文献[9- 10]通过模型试验和数值模拟，研究了交汇河段在入汇比、入汇角和比降等因素改变的情况下，交汇区的水流特性。结果表明，干流下游的入汇口同侧必然会产生回流分离区，该分离区的变化受地形影响较大，且分离区范围随着入汇比的增加而增大，回流区会形成累积性淤积。

目前针对不同入汇角及入汇比的研究比较多，尤其是入汇角为90°的情况。文章对入汇角为45°时，不同入汇比下导流洞出口的水面线、平面流场以及剖面流场的变化规律做进一步的研究，以期为工程设计施工提供一定的借鉴及指导。

1 数值模型的建立与试验工况

1.1 出口区水流特性研究概化模型

为了进一步研究不同入汇方式下导流洞出口区水流特性，对导流隧洞和河道进行概化。通过对类似工程的总结，在得到的山区河流中导流洞与河道的夹角范围基础上，选取45°入汇角进行数值建模。其中，河道宽度为100m，导流洞尺寸为12m×15m，河道比降为1‰，导流洞与河道宽度比为0.15∶1。

模型Z轴正方向为竖直向上，X轴正方向为垂直水流方向由左岸到右岸，以顺水流方向为Y轴正方向。为了避免模型进出口对研究区域流场的影响，必须保证模型中的上下游边界和研究区域有足够远的距离，确定模型上游主河道入口边界距离导流洞出口850m，下游出口边界距离导流洞出口1100m，河道模拟总长度为1950m，导流洞模拟总长度为600m，如图1所示。

图1 概化模型示意图

由于概化模型中边壁条件比较简单，所以模型整体采用结构化网格。在导流洞与河道的交汇区域进行局部加密，上游进口和下游出口区域的网格则相对稀疏。最终划分的网格如图2所示，其中最小的网格体积为0.2m3，网格总数量为25万个。

图2 概化模型网格划分示意图

1.2 试验工况

文章选取45°入汇角进行对比分析，定义导流洞入汇角为α，导流洞入汇比为q*，q*=Q洞/Q总，其中Q洞为导流洞泄流量，Q总为上游来流总量，在不同工程中，根据导流洞的设计标准，导流洞的q*相差较大，文章设置了q*分别为0.3～1.0共8个入汇比，基本上覆盖了现有工程在导流过程中导流洞入汇比的范围，具体研究工况见表1。

表1 入汇角为45°时不同工况的入汇比

2 导流洞不同入汇比对出口区水流特性影响

2.1 出口区水面变化规律

选取导流洞出口断面(Y=235)、出口上游80m处断面(Y=150)、洞口下游最高涌浪断面、出口下游170m处断面(Y=400)共4个断面的水面以及河道沿程左右岸水面进行分析，断面如图3所示。

图3 不同断面示意图

在不同q*情况下，隧洞出流在与河道中的水流交汇后，出口处水面产生不同程度的收缩，收缩程度和范围随着q*的增大而增大，如图4(b)和图5(b)所示，这跟明渠主支流交汇的现象一致。

出口区水位会随着q*的增加整体下降。在洞口上游，q*的增加意味着主河道泄流量减小，而隧洞出流对上游顶托而导致的水位抬升值不足以抵消上游由于流量减小而导致的水位降低值，从整体来看，上游水位呈下降趋势，如图4(a)所示。根据伯努利方程可知，相同流量下，流速越大，过水面积越小，在洞口下游，导流洞泄流量的增大使出口区流速增大，下游过流面积减小导致水位降低。

当q*大于0.6时，在导流洞对岸出现较明显的高水位区，即出流对冲产生的涌浪，随着q*的增大，涌浪的最高点稍向上移，涌浪范围向上下游扩张，如表2、图4(c)和图5(a)所示。

表2 不同q*右岸涌浪爬高

2.2 出口区平面流场变化规律

隧洞出流与河道交汇后，会在出口靠下游一侧出现回流区。随着q*的增大，回流区的范围增大。当q*增大到一定值时，隧洞出流上游侧出现回流，回流强度随着q*的增大而增大。

当q*=0.3时，水流出洞之后向主槽下游发生偏转，由于主槽来流量较大，受隧洞出流影响较小，而河床下游左侧则出现分离现象，在隧洞出口主流左侧形成流速较低的分离区，如图6(a)、图7(a)所示。

当q*=0.5时，出洞主流发展至对岸，在出流切应力的带动下，上游来流向右岸偏转，主流左侧形成大范围低速回流区，回流区流线紊乱且存在许多小漩流，回流区的存在又进一步挤压主流区，使主流过流面积减小而形成高速区，如图6(b)、图7(b)所示。

图4 不同q*河道各断面水面线对比

随着q*的增大，隧洞出流与主槽来流的剪切面向上游移动，且由于上游流速越来越小，隧洞出流与上游水流之间的流速差和切应力增大，在主流上游开始出现回流区，如图6(d)、图7(d)所示。两侧回流区的共同挤压主流使主流过流断面收缩。上游回流区的产生可能会导致下游围堰堰脚的淘刷。

图5 河道左右岸沿程水面线

图6 α=45°时平面流线变化规律(Z=0.5h)

图7 α=45°时平面流场变化规律(Z=0.5h)

2.3 出口区剖面流场变化规律

为了探究出口区沿程断面垂线流速分布情况，文章选取导流洞出口下游M1～M6六个断面，每个断面取21条垂线，每条垂线上取20个点的流速值进行分析。M1～M6断面分布如图8所示。

图8 M1～M6断面示意图

α=45°时的断面垂线平均流速分布图如图9所示。由图可知，断面垂线平均流速在M1断面达到最大值。随着导流洞q*的增大，各断面垂线平均流速极值点向右岸移动。当q*=0.4、q*=0.5时，M6～M4断面垂线平均流速从左岸至右岸逐渐增大并在右岸达到最大值；当q*=0.6、q*=0.7、q*=0.8时，M6～M3断面垂线平均流速从左岸至右岸逐渐增大并在右岸达到最大值，M1的最大值稳定在x/B=0.1左右、M2的最大值稳定在x/B=0.55左右。这主要是由于α较大，沿隧洞出口轴线至右岸距离较短，隧洞出流能轻松冲至右岸，不利于右岸的稳定。

随着q*的增大，河道右岸最大流速相对导流洞出口平均流速的减小率越来越小，详见表3。q*=0.4时，右岸最大流速为3.01m/s，相对出口平均流速11.11m/s减小72.91%；q*=0.7时，右岸最大流速为8.80m/s，相对出口平均流速19.44m/s减小54.73%；q*=0.9时，右岸最大流速为19.83m/s，相对出口平均流速25.00m/s减小20.68%。结合平面流场分布，文章认为α=45°情况下，q*控制在0.7及以下为最佳。

表3 不同q*右岸最大流速

图9 α=45°时断面垂线平均流速分布图

3 结论

山区性河流在采用隧洞导流过程中，通常出现流速高、能量集中破坏力较大、出口区域冲刷严重等问题。文章通过对不同入汇比下导流洞出口区域的水流特性进行数值模拟研究，得出以下结论:

(1)导流洞与主河道交汇之后，隧洞出流下游侧形成分离区，随着q*的增大，分离区范围增大。当q*增大到一定程度时，主流上游侧形成回流区，两侧回流区对主流产生挤压使主流过流面积减小。

(2)α=45°时，隧洞出流能轻易贯穿河道在对岸形成主流，当q*超过0.7之后，隧洞出流对岸坡冲击较大，在岸坡地质条件较差的工程中建议以q*小于0.7的方式泄流。

文章研究成果可为后续导流工程中导流洞入汇角以及入汇比的选择提供一定的借鉴和指导，以有效减少导流洞出口区域的冲刷，增加导流工程的安全度。