彎道低水頭攔河閘閘孔分流比試驗研究

鐘 杰

彎道低水頭攔河閘閘孔分流比試驗研究

鐘 杰

（浙江大學(xué)港口、海岸與近海工程研究所，杭州 310000）

通過理論分析，結(jié)合模型試驗，對處于彎道上的低水頭攔河閘閘前的水流特性、閘孔的分流比及其影響因素進行了研究，探討了閘孔分流比的計算方法。結(jié)果表明，由于樞紐對閘前水流的影響，使得閘前彎道水面橫比降、縱比降顯著減小，縱向垂線平均流速橫向分布趨于均勻化。河槽總流量和樞紐軸線與彎道進口斷面的夾角對閘孔分流比的影響較小?？拷拱兜倪吙仔沽髂芰^弱，其余各閘孔分流較均勻。閘孔分流比的計算結(jié)果較為滿意。這些對于保證閘址選擇、水閘設(shè)計的經(jīng)濟性、安全性具有很重要的意義。

彎曲河道；彎道水流；低水頭攔河閘；閘孔分流比

1 概 述

攔河閘在水利工程方面的應(yīng)用十分廣泛。對于攔河閘的設(shè)計，閘址的選擇是其中的一項非常重要的內(nèi)容，應(yīng)保證過閘水流平順，流量分布均勻，不出現(xiàn)偏流和危險性沖刷或淤積。根據(jù)已有的理論和工程經(jīng)驗表明，一般攔河閘宜選在河道順直、河勢相對穩(wěn)定的河段，閘的軸線宜與河道中心線正交，其上、下游河道直線長度不宜小于5倍水閘進口處水面寬度［1］。然而由于地形、地質(zhì)或者周圍環(huán)境等因素的影響，有時不得不將水閘布置在河灣處。彎道具有特殊的水沙運動規(guī)律。自1876年J．Thompson在實驗室發(fā)現(xiàn)彎道螺旋水流以來，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同的研究目的，對河灣水流特性及泥沙運動規(guī)律做了大量的研究分析工作。Eakin發(fā)表了密西西比河河灣水流觀測的研究結(jié)果，側(cè)重研究了河灣水面超高問題①BLUE F L，HERBERT JK J，LANCEFIELD R L．Flow Around a River Bend Investigation［J］．Civil Engineering，1934，（4）．。Yamell和Woodward對河灣水流做了大量的試驗，研究了縱向流速分布和水面形狀②YARMELL D L，WOODWARD SM．Flow ofWater around Bends［J］．Tech，Bull．No．526，U．S．Department of Agriculture，1936，（526）．。Mock-more進行了連續(xù)河灣的試驗研究，指出了一河灣水流受上一河灣水流剩余環(huán)流的影響②。Rozovskii對河灣水流特性做了大量的試驗，通過理論推導(dǎo)及試驗數(shù)據(jù)驗證，提出了河灣水流特點及縱向、環(huán)流流速計算公式［2］。Thorne等通過對英格蘭的一些河流彎段進行觀測，測得二維流速，由此推出縱向流速和橫向流速的分布。我國學(xué)者王偉、蔡金德、劉煥芳、張紅武、王平義等，分別對河灣水流的影響因素、邊界條件、三維水流數(shù)值模型進行研究，提出了河灣環(huán)流結(jié)構(gòu)、流速分布、自由水面的沿程變化、河灣水流分離臨界判別條件、河灣河床剪切力特點、泥沙運動特性等成果［3－5］。對于順直河段的水閘閘孔孔出流，文獻［6，7］等都做了一定研究，得到了一些理論公式。但是由于彎道上攔河閘的應(yīng)用甚少，關(guān)于彎道攔河閘閘前水流特性及閘孔分流比的研究成果不多見。

本文正是基于這種特殊情況，通過模型試驗，探討處于彎道上的低水頭攔河閘閘前的水流特性、閘孔的分流比及其計算方法，為水閘的設(shè)計以及深入研究提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗?zāi)Ｐ偷幕厩闆r

U型彎道模型（如圖1和圖2所示）底寬B＝68 cm，河槽高H＝30 cm，彎道中心半徑RCP＝114 cm，RCP／B＝1．676 5，進口和出口段長均為800 cm，水泥光滑面。5孔平底平板閘門（如圖3所示）每孔凈寬b＝12 cm，閘敦長20 cm，中墩寬均為2 cm。中墩墩頭為半圓弧形，墩尾為圓弧曲線。閘室與彎道等底等高。河道全程均為平底緩斜面（河槽坡降 i＝2‰）。閘門刀口向下。整個閘室橫向長68 cm，縱向長20 cm，可整體沿河槽縱向移動。整個河道共設(shè)10個斷面，在每個斷面上留有3個測壓孔。用測壓管測各斷面上的凹、凸岸及中心線上的水位，用矩形堰測流量，用螺旋流速儀測垂線縱向流速，用三點法計算縱向垂線平均流速。水流經(jīng)過由矩形量水堰和靜水設(shè)備組成的首部設(shè)備進入槽內(nèi)。靜水設(shè)備借光滑的喇叭口與水槽相連。由水槽出來的水，則流入實驗室的循環(huán)水池內(nèi)。

圖1 U型彎道模型平面布置圖Fig．1 The scheme of a U-shape bend flumemodel

圖2 A－A剖面圖Fig．2 A－A sectional view

圖3 閘室平面圖和立面圖Fig．3 Plan and elevation of the sluice

3 閘前彎道水流特性

在河槽流量Q＝59．9 L／s的情況下，低水頭攔河閘位于10號斷面，水流經(jīng)過彎道，對彎道水流水面橫比降、縱比降、縱向垂線平均流速的橫向分布進行分析。

3．1 閘前彎道水面橫比降

在本次試驗中，矩形斷面水面平均橫比降用公式Jr＝（h凹－h(huán)凸）／B。式中：h凹，h凸分別表示凹、凸岸邊水深；B為底寬。

通過計算，水面橫比降沿程變化情況如圖4所示。通過試驗可知，由于樞紐對閘前水流的阻力作用，使得彎道水面橫比降顯著減小，閘前10號斷面的水面橫比降僅為0．02。

圖4 閘前彎道水面橫比降Fig．4 Transverse gradient of the water surface in front of the sluice gate

3．2 閘前彎道水面縱比降

水流經(jīng)過彎道后水面將產(chǎn)生縱比降，如圖5所示閘前彎道中各斷面水深的沿程變化。閘前10號斷面河槽凸岸、中線處、凹岸的水深分別為11．8，12．8，13．1 cm?？梢娝钶^為接近。

圖5 閘前彎道水面縱比降Fig．5 Longitudinal gradient of the water sur face in front of the sluice gate

3．3 閘前彎道縱向垂線平均流速的橫向分布

由于彎道環(huán)流的存在，將使水流結(jié)構(gòu)沿縱向、橫向、水深3個方向的分布發(fā)生變化。如圖6所示為縱線垂線平均流速橫向分布的沿程變化。閘前流速分布趨于均勻化。

4 閘孔分流比

4．1 閘孔分流比的影響因素

影響閘孔出流流量的因素包括閘門類型、閘底坎形式、出孔水流是否受下游水深影響、閘前水深H、閘門斷面寬度b、閘門開啟度e、閘上游行近段的河道形態(tài)等［8］。

圖6 閘前彎道縱向垂線平均流速的橫向分布Fig．6 Lateral distribution of the profile depth-averaged-velocity in front of the sluice gate

定義閘孔分流比系數(shù)β為單個閘孔的流量占河道總流量的百分比，即

本次模型試驗閘門為平底平板閘門；閘門等寬（b＝B／N；B，N分別為河寬和閘孔數(shù)）；閘底為寬頂堰；孔口為自由出流；閘門全部開啟；閘上游行進段為彎道，彎道參數(shù)可用彎道半徑R和樞紐軸線與彎道進口斷面的夾角θ表示。經(jīng)簡化，在本次模型試驗中閘孔分流比的影響因素主要包括閘前水深H、河寬B、閘孔孔數(shù)N、彎道半徑R、樞紐軸線與彎道進口斷面的夾角θ以及河道總流量Q總。

4．2 閘孔分流比的試驗結(jié)果分析

試驗在水閘模型一定的情況下，主要分析河槽總流量以及樞紐處于彎道不同部位時閘孔分流比的變化情況，即河槽總流量和樞紐軸線與彎道進口斷面的夾角對閘孔分流比的影響。

在河槽流量Q＝59．9 L／s的情況下，將低水頭攔河閘分別布置在彎道的不同斷面（如圖1所示的3－9號斷面），測得各閘孔的流量，并計算其分流比系數(shù)，分析該系數(shù)的沿程變化。然后將低水頭攔河閘布置在彎頂（6號斷面），在不同的流量下，分析閘孔分流比系數(shù)的變化情況。

如圖7所示為模型試驗中，在總流量保持不變（Q總＝59．9 L／s）的情況下，5孔閘室分別處于河彎的不同斷面（如圖1所示的3－9號斷面），閘門全部開啟時，各閘孔的分流比系數(shù)的沿程變化。由圖可知：①在同一斷面，總體上，從1號閘孔到5號閘孔流量逐漸增加。2－5號閘孔流量較相近，閘孔1與上述4個閘孔流量相差較大。最大閘孔分流比系數(shù)差值Δβimax＝5．9%。②對于同一閘孔，其閘孔分流比系數(shù)沿彎道變化較小，最大分流比系數(shù)波動值Δβimax≤2．8%。各閘孔的平均分流比系數(shù)分別為：β1＝17．6%，β2＝19．6%，β3＝20．7%，β4＝21．2%，β5＝21．6%。樞紐處于彎道的不同斷面，各閘孔的流量波動較小，說明樞紐軸線與彎道進口斷面的夾角對閘孔的分流比系數(shù)影響甚小。

圖7 Q＝59．9 L／s情況下，各閘孔分流比系數(shù)的沿程變化Fig．7 Flow diversion ratio coefficients of each gate-hole when Q＝59．9 L／s

如圖8所示為模型試驗中，在河槽總流量分別為38．0，51．1，59．9，72．4，89．8 L／s時，5孔閘室置于6號斷面，閘門全部開啟，各閘孔分流比系數(shù)的變化情況。由圖可知，各閘孔分流比系數(shù)在河槽總流量發(fā)生變化的情況下，波動較小，說明河槽總流量對彎道中各閘孔的分流比系數(shù)影響較小?？拷拱兜倪吙仔沽髂芰^弱，其余各閘孔分流比較均勻。

圖8 不同流量情況下6號斷面各閘孔分流比系數(shù)Fig．8 Flow diversion ratio coefficients of each gate-hole in the 6 th section w ith different discharge

4．3 閘孔分流比的計算方法

布置在U型彎道上的低水頭攔河閘，有N孔等寬閘門。彎道凸岸半徑為R1、凹岸半徑為R2，河槽寬度為B，河槽總流量為Q總，從凸岸到凹岸閘孔編號依次為1，2，…，i，…，N（如圖9所示）。由3．1節(jié)試驗結(jié)果可知，閘前水面橫比降較小，因此不計閘前水面橫比降，假設(shè)閘前水深沿徑向相等，則：

第i閘孔的流量為

河槽總流量為

圖9 計算模型示意圖Fig．9 Sketch of calculation model

將式（2）和式（3）代入（1）式可得i號閘孔的分流比系數(shù)為

式中：βi為i號閘門的分流比系數(shù)，R1為彎道凸岸半徑，R2為彎道凹岸半徑，i為閘門編號（靠近凸岸的邊孔為1），B為河槽寬度，vc為斷面中線上的縱線垂線平均流速，rc為彎道中心線半徑，r為斷面任意點的半徑，θ為壩軸線與進口斷面的夾角。

通過式（5）計算試驗中閘孔的分流比系數(shù)，計算值與試驗值的比較如表1所示。由于假定閘前水深沿徑向相等，且忽略了閘室對縱向垂線平均流速橫向分布的影響，從表1中可以看出在某些斷面、某些閘孔的分流比系數(shù)相差較大。由模型試驗的結(jié)果可知，我們需要重視凸岸邊孔的分流比，其余閘孔流量分布較均勻，可以不由式⑸計算確定。引入修正系數(shù)a和b，則凸岸邊孔的分流比為

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸分析可得待定系數(shù) a＝0．877，b＝0．251。而該斷面上其余各閘孔平均分配剩余流量。修正后的分流比系數(shù)計算值與實驗值比較如表2所示。從表2中可以看出，引入修正系數(shù)后，各閘孔分流比系數(shù)的試驗值與計算值比較吻合，因此可以采取上述方法對閘孔的分流比進行計算，從而得出較為滿意的結(jié)果。

通過式（6）可以看出，在忽略閘前水面橫比降和閘室對縱向垂線平均流速橫向分布的影響，且將河道總流量用閘前水深和縱向流速進行表征的條件下，閘孔分流比系數(shù)的影響因素主要包括彎道半徑R、樞紐軸線與彎道進口斷面的夾角θ、河寬B、閘孔孔數(shù)N。這與4．1節(jié)的分析相吻合。

表1 各閘孔分流比系數(shù)的試驗值和計算值Table 1 Flow diversion ratio coefficients of each gate-hole by test and calculation

表2 修正后各閘孔分流比系數(shù)的試驗值和計算值Table 2 Flow diversion ratio coefficients of each gate-hole by calculation after amendment

5 結(jié) 論

（1）在彎道上布置低水頭攔河閘，由于樞紐對水流的約束作用，使得閘前水面橫比降、縱比降、垂線流速顯著減小，閘前水位升高，縱向垂線平均流速橫向分布趨于均勻化。

（2）在彎道內(nèi)布置低水頭攔河閘，在忽略閘前水面橫比降和閘室對縱向垂線平均流速橫向分布影響的條件下，閘孔分流比系數(shù)的影響因素主要包括彎道半徑、樞紐軸線與彎道進口斷面的夾角、河寬、閘孔孔數(shù)。

（3）在彎道內(nèi)布置低水頭攔河閘，靠近凸岸的邊孔泄流能力較弱，其余各閘孔分流比較均勻。因此應(yīng)高度重視凸岸邊孔的設(shè)計工作，以免造成凸岸邊孔泄流較小甚至不泄流的后果。

（4）本文初步探討了低水頭攔河閘閘孔分流比系數(shù)的計算方法，通過計算值與試驗值的比較表明該方法可以得出較為滿意的結(jié)果。

［1］ 林繼鏞．水工建筑物（第四版）［M］．北京：中國水利水電出版社，2006．（LIN Ji-yong．Hydraulic Structures（Fourth Edition）［M］．Beijing：China Water Power Press，2006．（in Chinese））

［2］ 羅索夫斯基．彎道水流的研究［J］．尹學(xué)良，譯．泥沙研究，1958，3（1）：83－95．（ROZOVSKIIB L．Research of Bend Flow［J］．Translated by YIN Xue-liang．Journal of Sediment Research，1958，3（1）：83－95．（in Chinese））

［3］ 張紅武，呂 昕．彎道水力學(xué)（第1版）［M］．北京：水利電力出版社，1993．（ZHANG Hong-wu，LV Xin．Bend Hydraulics（First Edition）［M］．Beijing：Water Conservancy and Electric Power Press，1993．（in Chi-nese））

［4］ 王 韋，許唯臨，蔡金德．彎道水沙運動理論及應(yīng)用（第1版）［M］．成都：成都科技大學(xué)出版社，1994．（WANGWei，XUWei-lin，CAIJin-de．Theory and Ap-plication of Water and Sediment Movement in Curved Channel（First Edition）［M］．Chengdu：Chengdu Univer-sity of Science and Technology Press，1994．（in Chi-nese））

［5］ 王平義．彎曲河道水力學(xué)［M］．成都：成都科技大學(xué)出版社，1995．（WANG Ping-yi．Bend Hydraulics［M］．Chengdu：Chengdu University of Science and Technology Press，1995．（in Chinese））

［6］ 武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室．水力學(xué)下冊［M］．北京：高等教育出版社，1987．（Hydraulics Department of Wuhan Hydraulic and Electric College．Hydraulics［M］．Beijing：Higher Education Press，1987．（in Chi-nese））

［7］ 清華大學(xué)水力學(xué)教研組．水力學(xué)下冊（1980年修訂版）［M］．北京：人民教育出版社，1981．（Hydraulics De-partment of Tsinghua University．Hydraulics［M］．Bei-jing：People’s Education Press，1981．（in Chinese））

［8］ 吳門伍，陳 立，周家俞．大和水閘過閘流量分析［J］．武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2003，36（5）：51－54，78．（WU Men-wu，CHEN Li，ZHOU Jia-yu．Analysis of Water Discharge through Dahe Sluice［J］．Engineering Journal ofWuhan University，2003，36（5）：51－54，78．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Experimental Study on Flow Diversion Ratio of Low Head Sluice Built in Curved Channel

ZHONG Jie
（Harbor Coast and Offshore Engineering Research Division，Zhejiang University，Hangzhou 310000，China）

Based on the theoretical analysis and model experiment，the behavior of flow in front of the sluice gate，flow diversion ratio of a low head sluice built in the curved channel and its factors were analyzed，calculations of flow diversion ratio coefficientwere discussed．The results show that due to the influence of sluice on the flow，the transverse and longitudinal gradients of the water surface decrease remarkably，the transverse distribution of the depth-averaged longitudinal velocity tends to be nearly uniform．The impact of the total flow and the angle between sluice axis and inlet plane of curved channel on flow diversion ratio of a low head sluice is small．Discharge capaci-ty of the gate-hole near convex bank is small，those of other gate-holes aremuch uniform．Flow diversion ratio coef-ficients by calculation were satisfactory．These results are very important for the selection，location，design，securi-ty and economy of sluices．

curved channel；bend flow；low head sluice；flow diversion ratio of gate-holes

TV143．2

A

1001－5485（2011）03－0028－05

2010-07-19

鐘 杰（1986-），男，四川眉山人，碩士研究生，主要從事河流泥沙動力學(xué)等方面的研究，（電話）13567144156（電子信箱）125738069＠qq．com。