汇流口水闸进水流态试验研究

奚 斌, 王 贺, 陈倩倩, 孔庆昊, 段元锋, 郑雅珍, 唐 鹏,黄正军, 黄冬玲, 王汉强, 陈春梅

(1. 扬州大学水利科学与工程学院, 江苏 扬州 225127; 2. 灌南县水利局, 江苏 连云港 222599;3. 泰州市水利局, 江苏 泰州 225300)

汇流口上游河道的汇流比和水位差不同,易在水闸上游形成不良流态, 对工程过流能力和安全运行等影响较大, 因此须对汇流口漩涡、偏流等不良流态采取整流措施．近年来, 众多学者针对整流措施进行了大量研究．Xi等[1]采用数值模拟与物理模型试验相结合的方法, 研究镂空式整流底坎尺寸对泵站前池流态的影响, 得出孔高比为0.6时整流效果较好; Yang等[2]针对横向取水泵站前池不良流态的问题, 设置整流柱和开孔导流墙,减少了涡流面积,提高了流速均匀性; 罗灿[3]和Xi[4]等使用数值模拟方法优化闸站结合工程的不良流态,发现导流墩能缩小回流范围,改善进水流速分布．现有整流研究多为前池流态的整流措施,针对汇流口的研究集中在流动特性的分析．Sedl[5], Xu[6], Sudo[7], Ahmed[8], Weber[9]和Zaji[10]等采用物理与数值模型相结合的方法分析了泵站流道、交汇角弯道和断面环流的水流紊动特性和平均流速等水力特性; Heydari等[11]采用三维粒子图像测速(stereoscopic particle image velocimetry, SPIV)系统分析了上游河道堤岸角对湍流特征和局部冲刷的影响; Luo等[12]利用数值模拟方法分析了交汇口流速分布和能量损失; Nazari-Sharabian等[13]利用FLOW-3D软件分析了明渠与侧向排水管汇合处的流动拓扑．以上研究均未涉及汇流口水闸进水流态及整流措施．本文以武障河闸为研究对象,拟分析汇流口水闸过流流态, 提出优化整流方案, 以期为类似工程汇流口整流方案提供借鉴．

1 工程概况

武障河闸位于江苏省连云港市灌南县新安镇境内武障河上, 是盐东控制工程的骨干工程之一．武障河闸共有闸室13孔, 单孔净宽10 m,总净宽130 m, 上游设计水位2.5 m,下游设计水位2.4 m,设计流量660 m3·s-1．武障河闸工程平面图如图1所示, 新河槽与老河槽交汇于水闸上游400 m处, 设计汇流比为3∶7, 汇流口产生大面积低速漩涡, 挤压河道水流,冲刷河道边坡, 产生淤积, 导致闸前大面积偏流, 影响水闸安全运行．

图1 武障河闸工程平面图Fig.1 Plan graph of Wuzhang River Sluice

图2 武障河闸水工模型布置照片Fig.2 Layout photo of hydraulic model of Wuzhang River Sluice

2 模型与计算

2.1 模型设计

图2为武障河闸水工模型布置图．根据试验工况,先调节上下游水位及水闸流量,待水流稳定后,在水面均匀洒落专用白色塑料悬浮粒子, 利用DPIV采集汇流口流场数据,并使用Tecplot软件进行数据处理, 得到面层流场矢量图和云图．

2.2 流速均匀度计算

3 试验方案

为改善武障河闸过流流态,试验采取鱼嘴式导水堤与镂空式整流底坎两种整流措施．针对闸前旋流问题,拟在武障河和老河槽交汇处设置整流分水墙,阻止此处形成不稳定旋流．结合现场情况,增设一座长约40 m、与河道中心线呈一定夹角且向老河槽一侧倾斜的鱼嘴式导水堤．同时为使水闸上游底层流场更为顺畅, 在闸门前加设镂空式整流底坎,底坎正对每个闸孔中心处开设一个5 m宽的孔口(即闸孔净宽的一半), 孔高1.5 m．导水堤及整流底坎布置照片如图3所示．

图3 加长导水堤及镂空式整流底坎布置照片Fig.3 Photos of the layout of the lengthened water diversion dike and hollow-out rectifying base

表1 加长导水堤安放角度试验结果

表2 整流底坎安放位置试验结果

在设计水位下, 保持汇流比、水位与流量不变,设置闸门开度为5 m, 将是否在上游汇流处加长40 m导水堤和加长导水堤中心线与河道中心线的夹角作为变量设计试验,同时利用流速仪测量各闸孔前中心点水面下0.6倍水深处流速, 计算导水堤中心线与河道中心线夹角分别为3°、6°、9°和13°时13个闸孔的流速均匀度,结果如表1所示．由表1可知, 导水堤中心线与河道中心线夹角为9°时,闸孔流速均匀度最高,较原方案提高了2.45%,整流效果较好．

确定加长导水堤安放角度后,加设镂空式整流底坎,不断调整整流底坎与水闸之间的距离,测量并计算整流底坎在不同位置时水闸两侧6个边孔的流速均匀度,结果如表2所示．由表2可知, 整流底坎置于闸前57 m处,水闸边孔前流速均匀度最高,较不加底坎时提高了1.89%,整流效果较好,且闸前偏流现象也有明显改善．

通过试验确定两种整流方案:方案1,在武障河和老河槽交汇处增设一座长约40 m、与河道中心线夹角为9°且向老河槽一侧倾斜的鱼嘴式导水堤;方案2,在方案1基础上,加设镂空式整流底坎,底坎位于闸前57 m．

4 流场分析

将整流方案应用于物理模型, 采集面层流场数据, 通过Tecplot软件处理得到不同方案下闸前面层流场矢量图和流场云图, 结果如图4所示．由图4(a)可知,原方案下汇流口漩涡区面积较大, 出现流速超过4 m·s-1的情况, 下游大范围流场被扰动,整体流线十分紊乱,闸前流速分布很不均匀,偏流现象严重; 由图4(b)可知, 设置加长鱼嘴导水堤后,汇流口流态有所改善,漩涡区面积明显减小,汇流处最大流速由4.59 m·s-1降至3.95 m·s-1, 汇流下游流线不再紊乱,但水闸前仍存在新河槽侧水流向老河槽侧挤压的偏流现象; 由图4(c)可知,在设置导水堤的基础上加设镂空式整流底坎后,偏流现象进一步改善,整体流线更加平顺,闸前流态良好．

图4 不同方案下闸前面层流场矢量图和流场云图Fig.4 Laminar flow field vector diagram and flow field cloud diagram in front of gate in different schemes

5 结论

本文针对汇流口过闸水流不良流态影响水闸正常运行的问题, 设计整流方案, 采用DPIV系统采集交汇口面层流场数据,结合光电流速仪测量闸前断面流速,分析原方案和设计方案下武障河闸过流流态,确定优化整流方案．研究结果表明, 加长鱼嘴式导水堤有效改善了武障河与老河槽交汇处旋流问题,使上游河道整体流态更为平稳,削弱了漩涡对闸前进流流态的影响;镂空式整流底坎改善了闸前偏流问题,使得闸前水流更加顺直,优化了闸前进流流场;当加长导水堤中心线与河道中心线夹角为9°、底坎位于闸前57 m处时, 整流效果最佳．