平交口門區(qū)水動力特征試驗研究

陸銀軍，假冬冬，萬乾山，張幸農(nóng)

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029）

平交口門區(qū)水動力特征試驗研究

陸銀軍1，假冬冬2，萬乾山1，張幸農(nóng)2

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029）

平原河網(wǎng)地區(qū)河道縱橫交錯，平交口門區(qū)(“+”型交匯區(qū)）水流受交匯河道共同影響，水動力特征復雜。以新溝河三山港-武進港與京杭運河平交口門區(qū)為例，對其水動力特征進行了試驗研究，并探討了不同邊界條件下的變化規(guī)律。受三山港吸流影響，京杭運河來流流至三山港口門時水流明顯左偏并進入三山港，出現(xiàn)一定范圍的橫流區(qū)；受武進港出流頂托作用，位于武進港出口上游的運河右側(cè)出現(xiàn)一較大范圍的回流區(qū)，其范圍隨著武進港出流流速的減小而減小。河道邊界對口門區(qū)水動力特征存在明顯影響，流速較大一側(cè)邊界條件的改變對水動力特征的影響最明顯。在類似平交口門區(qū)，需改變流速分布時，可優(yōu)先考慮調(diào)整流速較大側(cè)邊界。

平原河網(wǎng)；平交口門；水流特征；橫向流速；試驗研究

平原河網(wǎng)地區(qū)河道縱橫交錯，平交口門(“+”型交匯區(qū)）是常見的一種河道交匯模式，水流相互頂托會在交匯口及其上、下游產(chǎn)生復雜的流動現(xiàn)象。平原地區(qū)河道往往具有通航功能，兩岸工農(nóng)業(yè)發(fā)達，因此，研究其水動力特征，具有重要意義。

對于干支流交匯區(qū)(“Y”型交匯區(qū)）水流特性的研究已取得不少成果。J.L.Best等［1］在不同入?yún)R角條件下，探討了交匯區(qū)下游回流分離區(qū)的形態(tài)和范圍。詹磊等［2］提出了包含水深比及回流長度的局部水頭損失系數(shù)計算公式，并采用試驗結(jié)果進行了驗證。王協(xié)康等通過水槽試驗，觀測分析了入?yún)R角為30°時支流斜接主流入?yún)R型河道的水流結(jié)構(gòu)［3］，提出了基于主流向流速的等值線法定義分離區(qū)，并采用流線法和等值線法對試驗資料進行了比較分析［4］。劉盛等［5］采用數(shù)值模擬方法，分析了不同交匯角、流量比和動量比對交匯區(qū)水動力學特性的影響。徐孝平等［6］對直角交匯河段流場特性進行了細致分析。敖大光等［7］對西、北江交匯區(qū)的航道整治方案進行了試驗研究。對于由兩河道縱橫交錯形成的交匯口門區(qū)(“+”型交匯區(qū)）來說，其水流受兩交匯河道上下游的共同影響，流態(tài)較復雜，多以數(shù)值模擬分析為主。文獻［8］對河道交匯區(qū)的層流及紊流特征進行了數(shù)值模擬分析，茅澤育等［9］對明渠交匯口水流及污染物輸移進行了數(shù)值計算。

本文以新溝河三山港-武進港與京杭運河平交口門區(qū)為例，對其水動力特征進行試驗研究，并探討不同邊界條件下的水流特征變化規(guī)律。

1 模型設(shè)計及試驗方法

新溝河延伸拓浚工程是太湖流域防洪規(guī)劃確定的必要新增工程措施，新溝河三山港-武進港在常州戚墅堰區(qū)與京杭運河平交。本次模型試驗［10］的模擬范圍包括：①京杭運河：運河平交口門處及其上下游總計約1 km范圍；②武進港連接段：運河平交口門處往南350 m左右的范圍；③三山港連接段：運河平交口門處往北350 m左右的范圍。具體平面布置如圖1所示。

為準確反映新溝河三山港-武進港與運河平交口門附近復雜水流特征，采用大比尺的正態(tài)模型，根據(jù)如下定床河工模型相似理論，確定模型各項比尺［10］：水平比尺λl與垂直比尺λh均為50，流速比尺λυ=7.07，流量比尺λQ=17 678，糙率比尺λn=1.92。模型總長約20 m，寬約15 m。

圖1 模型布置Fig.1 Experimental configuration

試驗過程中，采用先進的二維電磁流速儀對流速進行測量，該流速儀可準確量測縱、橫兩個方向的沿水深平均流速分量，測量位置為距河底0.6 h(h為水深）處。口門區(qū)99個流速測量點布置如圖1所示。

平交口門區(qū)水流特征的試驗工況中，口門處水位3.5 m，來流量為：武進港向運河排水60 m3/s，三山港從運河分泄流量80 m3/s，運河西側(cè)來水量為184 m3/s，往東側(cè)方向流量為164 m3/s。模型水深一般為5～12 cm，雷諾數(shù)約為9 600，弗勞德數(shù)約為0.11。

2 口門區(qū)水流特征

2.1 平交口門處流態(tài)

三山港-武進港與京杭運河平交口門處流態(tài)如圖2所示。武進港-三山港水流對京杭運河形成橫向流。受三山港吸流的影響，京杭運河來流流至三山港口門時水流明顯左偏并進入三山港，出現(xiàn)一定范圍的橫流區(qū)。受武進港出流的頂托作用，位于武進港出口上游的運河右側(cè)出現(xiàn)較大范圍的緩流區(qū)(回流區(qū)）。

2.2 流速分布特征

依據(jù)流速、流向測量結(jié)果，繪制出平交口門處流場流線分布(見圖3(a））。此外，兩側(cè)武進港、三山港水流對京杭運河形成橫向流，而京杭運河具有通航功能，因此，掌握其橫流分布特征極為重要，口門區(qū)京杭運河橫流流速分布特征如圖3(b）所示。

圖2 平交口門處流態(tài)Fig.2 Flow pattern along the conjunction region

圖3 平交口門處流場流線及橫流分布Fig.3 Streamline and lateral velocity distribution along the conjunction region

由圖3可見，口門區(qū)流速一般約0.50～0.80 m/s，受三山港吸流的影響，京杭運河來流流至三山港口門時水流明顯左偏并進入三山港，出現(xiàn)一定范圍的橫流區(qū)，且存在超過0.30 m/s的強橫流區(qū)，其距運河中心線的距離約26 m(圖3(b）），最大橫流值為0.39 m/s。受武進港出流的頂托作用，位于武進港出口上游的運河右側(cè)也出現(xiàn)較大范圍的緩流區(qū)(回流區(qū)），其流速值一般在0.10 m/s以內(nèi)；武進港出口及靠下游側(cè)受出流的影響，運河右側(cè)同樣出現(xiàn)橫流區(qū)，超過0.30 m/s的強橫流區(qū)距運河中心線的距離約24 m(圖3(b）），最大橫流值為0.37 m/s。

2.3 不同河道邊界條件下口門區(qū)水流特征的變化規(guī)律

河道邊界對口門區(qū)水動力特征有著明顯影響，通過試驗研究探討不同邊界條件下口門區(qū)水流特征的變化規(guī)律，重點是京杭運河橫流分布的變化特征。試驗過程中，共設(shè)置2種河道邊界條件(見圖4）。邊界條件的區(qū)別主要在武進港口門區(qū)：邊界一是武進港口門西側(cè)(即京杭運河上游側(cè)）口門邊界擴大，如圖4(a）所示；邊界二是武進港口門東側(cè)(即京杭運河下游側(cè)）口門邊界擴大，如圖4(b）所示。

圖4 口門邊界擴大條件Fig.4 Boundary conditions of the conjunction region

2種不同口門擴大邊界條件下，三山港-武進港與京杭運河平交口門處流場流線分布如圖5所示。由圖可見，2種邊界條件下口門區(qū)主流流速值基本一致，數(shù)值在0.50～0.80 m/s；邊界條件一時，位于緩流區(qū)(回流區(qū)）的武進港口門西側(cè)邊界擴大，武進港出流的有效過流面積并未增大，此時，該區(qū)的回流區(qū)范圍有所增大(圖5(a））；邊界條件二時，流速較大的武進港口門東側(cè)邊界擴大，其出流的有效過流面積增大，此時，武進港出流流速減小，其對上游的頂托作用減弱，因此上游側(cè)的回流區(qū)范圍有所減小(圖5(b））。

圖5 不同邊界條件下平交口門處流場流線分布Fig.5 Streamline distribution along the conjunction region with different boundary conditions

2種不同口門擴大邊界條件下，三山港-武進港與京杭運河平交口門橫流流速分布特征如圖6所示。由圖可見，因受三山港吸流的影響，京杭運河來流流至三山港口門時水流明顯左偏并進入三山港，仍存在一定范圍的橫流區(qū)，但超過0.30 m/s的強橫流區(qū)范圍較邊界未擴大前(圖3(b））均明顯減小，且基本位于京杭運河邊，其距運河中心線的距離約40 m，最大橫流值約0.32 m/s。武進港出口及靠下游側(cè)受出流的影響，運河右側(cè)同樣出現(xiàn)橫流區(qū)，2種邊界條件下超過0.30 m/s的強橫流區(qū)范圍較邊界未擴大前(圖3(b））均有所減??；邊界條件一時，其距運河中心線的距離在28 m左右(圖6(a）），最大橫流值在0.33 m/s左右；邊界條件二時，橫流減小效果較邊界條件一時顯著，超過0.30 m/s的強橫流區(qū)范圍基本位于京杭運河邊，其距運河中心線的距離在30 m左右(圖6(b））。

圖6 不同邊界條件下平交口門處橫流分布特征Fig.6 Lateral velocity distribution along the conjunction region with different boundary conditions

由不同邊界條件下口門區(qū)水動力特征試驗結(jié)果可看出，口門區(qū)河道邊界擴大后，與邊界未擴大前相比，京杭運河強橫流(大于0.30 m/s）范圍均有所減小。邊界條件一時，武進港口門西側(cè)擴大區(qū)基本位于緩流區(qū)(回流區(qū)），因此武進港口門區(qū)的強橫流范圍雖有所減小，但效果并不明顯；邊界條件二時，在流速相對較大、橫流相對較強的口門東側(cè)(下游側(cè)）實施口門邊界擴大，此時，口門區(qū)強橫流范圍的減小效果明顯。由此可見，流速較大一側(cè)邊界條件的改變，對水動力特征的影響明顯。

3 結(jié) 語

以新溝河三山港-武進港與京杭運河平交口門區(qū)為例，對其水動力特征進行了試驗研究，并探討了不同邊界條件下的水流特征變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：

(1）受三山港吸流影響，京杭運河來流流至三山港口門時水流明顯左偏并進入三山港，出現(xiàn)一定范圍的橫流區(qū)；受武進港出流頂托作用，位于武進港出口上游的運河右側(cè)出現(xiàn)較大范圍回流區(qū)，其范圍隨著武進港出流流速的減小而減小。

(2）河道邊界對口門區(qū)水動力特征存在明顯影響，流速較大一側(cè)邊界條件的改變，對水動力特征的影響最明顯。在類似平交口門區(qū)，需改變流速分布時，可優(yōu)先考慮調(diào)整流速較大側(cè)邊界。

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［9］茅澤育，武蓉，馬吉明.明渠交匯口水流及污染物輸移數(shù)值計算［J］.水利學報，2003(8）：43-48.(MAO Ze-yu，WU Rong，MA Ji-ming.Numerical simulation of flow field and pollutant transport at the junction of open channel［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2003(8）：43-48.(in Chinese））

［10］南京水利科學研究院.新溝河延伸拓浚工程遙觀南、北樞紐引河與運河平交口門整體模型試驗研究［R］.南京：南京水利科學研究院，2013.(Nanjing Hydraulic Research Institute.Experimental studies on flow patterns in the conjunction region of Xingou River and Beijing-Hangzhou Grand Canal［R］.Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2013.(in Chinese））

Experimental studies on hydrodynamic characteristics in level crossing entrance area of the river confluence

LU Yin-jun1，JIA Dong-dong2，WAN Qian-shan1，ZHANG Xing-nong2
(1.Jiangsu Surυeying and Design Institute of Water Resources Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Usually in the plain a river which has separated into a number of entwined channels called the plain river network areas，where the flow concentration region is a common occurrence.Hydrodynamic characteristics of flow structure in the level crossing entrance area(i.e.+-shaped river confluence）are very complex due to common impacts given by crossing river channels.In this study，model tests on the hydrodynamic characteristics of the flow structure have been carried out and the law of variation under different boundary conditions is investigated，taking the level crossing entrance，where the Sanshan port-Wujin port is located at the Xingou River across the Beijing-Hangzhou Grand Canal，as a study example.Affected by suction flow of the Sanshan port，the current obviously flows towards the left side and flows into the Sanshan port during the inflow from the Beijing-Hangzhou Grand Canal to the Sanshan port entrance area，which results in a transverse-current area with in a certain range；affected by the Wujin port outflow′s backwater effect，the reverse current zone with a larger range appears along the right side of the Grand Canal located on the upstream outlet of the Wujin port，and the range of the reverse current zone decreases with the decrease of flow velocity from the Wujin port.The river channel boundaries have significant impacts upon the hydrodynamic characteristics of the entrance area and the change in the boundary conditions of the larger side where flow velocity is higher，which has the most obvious impacts upon the hydrodynamic characteristics.In the similar level crossing entrance area，regulation of the boundary conditions of the larger side where flow velocity is higher should taken into account when the velocity distribution is in need of change，especially for the boundary with larger flow velocity.

plain river network areas；level crossing entrance(river confluence）；flow pattern；transverse velocity；experimental study

TV147 文獻標心碼：A

1009-640X(2014）03-0032-05

2013-12-03

國家自然科學基金資助項目(51109140，51109112）

陸銀軍(1972-），男，江蘇興化人，高級工程師，主要從事水工設(shè)計。通信作者：假冬冬(E-mail：ddjia@nhri.cn）