導流洞不同入匯比對出口區(qū)水流特性影響研究

李 勇，劉 進

(1.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 430071)

在自然中，不同的主支流交匯形成龐大的水系，交匯現(xiàn)象非常普遍，導流洞與河道的交匯是主支流交匯形式之一。一般而言，水流交匯處的水流結構復雜、流態(tài)差，對交匯區(qū)的沖刷破壞嚴重，增加了交匯區(qū)的防護修復工作的難度。李和[1]對模袋混凝土在河道交匯防護中從設計、施工、質量控制和常見問題處置進行了介紹；高曉靜[2]對呂梁三川河交匯處堤防進行了重力式漿砌石和扶壁式鋼筋混凝土堤防斷面比較分析，最終采用扶壁式鋼筋混凝土堤防結構型式。為了更好地對交匯區(qū)進行堤壩防護，對交匯區(qū)水流特性進行深入研究是十分必要的，眾多國內外學者運用數據統(tǒng)計、模型試驗以及數值模擬的方法探究了不同入匯角和不同入匯比情況下主支流交匯區(qū)的水流特性。

針對入匯角為90°的明渠交匯，相關研究較為豐富。王協(xié)康等[3]、劉同宦等[4]研究了不同入匯比條件下交匯區(qū)的水流特性。結果表明：①支流入匯后會對主槽水流產生頂托作用，使得主流在入匯口的上游一段范圍內形成雍水；②主支流在交匯區(qū)強烈摻混，主流受支流影響向非入匯側偏移，使得過流斷面減??；③支流一側出口下游不遠處形成分離區(qū)，分離區(qū)隨著入匯比的增加而擴大。張挺等[5]、劉同宦等[6]發(fā)現(xiàn)隨著支流入匯比的減小，主支流水流流線中間的分界線向入匯口一側偏移，駐點的位置也從主槽的左岸向支渠的右岸偏離。分離區(qū)的尺寸隨支渠入匯比的減小而減小，但形狀參數D/L基本保持在0.166不變。

對于入匯角小于90°的交匯亦有不少研究。劉同宦等[7]探究了主支流入匯角為30°時的交匯區(qū)水流特性，試驗表明該水流特性與入匯角為90°時相似。周舟等[8]研究了干支流交匯角分別為30°、45°、60°、90°情況下的交匯區(qū)水面形態(tài)特征。試驗表明，在交匯區(qū)，水面并不是呈現(xiàn)單一比降的，而是中間高兩邊低的形態(tài)。對于同一個交匯河段，交匯區(qū)的水面形態(tài)受入匯比的影響極大。文獻[9- 10]通過模型試驗和數值模擬，研究了交匯河段在入匯比、入匯角和比降等因素改變的情況下，交匯區(qū)的水流特性。結果表明，干流下游的入匯口同側必然會產生回流分離區(qū)，該分離區(qū)的變化受地形影響較大，且分離區(qū)范圍隨著入匯比的增加而增大，回流區(qū)會形成累積性淤積。

目前針對不同入匯角及入匯比的研究比較多，尤其是入匯角為90°的情況。文章對入匯角為45°時，不同入匯比下導流洞出口的水面線、平面流場以及剖面流場的變化規(guī)律做進一步的研究，以期為工程設計施工提供一定的借鑒及指導。

1 數值模型的建立與試驗工況

1.1 出口區(qū)水流特性研究概化模型

為了進一步研究不同入匯方式下導流洞出口區(qū)水流特性，對導流隧洞和河道進行概化。通過對類似工程的總結，在得到的山區(qū)河流中導流洞與河道的夾角范圍基礎上，選取45°入匯角進行數值建模。其中，河道寬度為100m，導流洞尺寸為12m×15m，河道比降為1‰，導流洞與河道寬度比為0.15∶1。

模型Z軸正方向為豎直向上，X軸正方向為垂直水流方向由左岸到右岸，以順水流方向為Y軸正方向。為了避免模型進出口對研究區(qū)域流場的影響，必須保證模型中的上下游邊界和研究區(qū)域有足夠遠的距離，確定模型上游主河道入口邊界距離導流洞出口850m，下游出口邊界距離導流洞出口1100m，河道模擬總長度為1950m，導流洞模擬總長度為600m，如圖1所示。

圖1 概化模型示意圖

由于概化模型中邊壁條件比較簡單，所以模型整體采用結構化網格。在導流洞與河道的交匯區(qū)域進行局部加密，上游進口和下游出口區(qū)域的網格則相對稀疏。最終劃分的網格如圖2所示，其中最小的網格體積為0.2m3，網格總數量為25萬個。

圖2 概化模型網格劃分示意圖

1.2 試驗工況

文章選取45°入匯角進行對比分析，定義導流洞入匯角為α，導流洞入匯比為q*，q*=Q洞/Q總，其中Q洞為導流洞泄流量，Q總為上游來流總量，在不同工程中，根據導流洞的設計標準，導流洞的q*相差較大，文章設置了q*分別為0.3～1.0共8個入匯比，基本上覆蓋了現(xiàn)有工程在導流過程中導流洞入匯比的范圍，具體研究工況見表1。

表1 入匯角為45°時不同工況的入匯比

2 導流洞不同入匯比對出口區(qū)水流特性影響

2.1 出口區(qū)水面變化規(guī)律

選取導流洞出口斷面(Y=235)、出口上游80m處斷面(Y=150)、洞口下游最高涌浪斷面、出口下游170m處斷面(Y=400)共4個斷面的水面以及河道沿程左右岸水面進行分析，斷面如圖3所示。

圖3 不同斷面示意圖

在不同q*情況下，隧洞出流在與河道中的水流交匯后，出口處水面產生不同程度的收縮，收縮程度和范圍隨著q*的增大而增大，如圖4(b)和圖5(b)所示，這跟明渠主支流交匯的現(xiàn)象一致。

出口區(qū)水位會隨著q*的增加整體下降。在洞口上游，q*的增加意味著主河道泄流量減小，而隧洞出流對上游頂托而導致的水位抬升值不足以抵消上游由于流量減小而導致的水位降低值，從整體來看，上游水位呈下降趨勢，如圖4(a)所示。根據伯努利方程可知，相同流量下，流速越大，過水面積越小，在洞口下游，導流洞泄流量的增大使出口區(qū)流速增大，下游過流面積減小導致水位降低。

當q*大于0.6時，在導流洞對岸出現(xiàn)較明顯的高水位區(qū)，即出流對沖產生的涌浪，隨著q*的增大，涌浪的最高點稍向上移，涌浪范圍向上下游擴張，如表2、圖4(c)和圖5(a)所示。

表2 不同q*右岸涌浪爬高

2.2 出口區(qū)平面流場變化規(guī)律

隧洞出流與河道交匯后，會在出口靠下游一側出現(xiàn)回流區(qū)。隨著q*的增大，回流區(qū)的范圍增大。當q*增大到一定值時，隧洞出流上游側出現(xiàn)回流，回流強度隨著q*的增大而增大。

當q*=0.3時，水流出洞之后向主槽下游發(fā)生偏轉，由于主槽來流量較大，受隧洞出流影響較小，而河床下游左側則出現(xiàn)分離現(xiàn)象，在隧洞出口主流左側形成流速較低的分離區(qū)，如圖6(a)、圖7(a)所示。

當q*=0.5時，出洞主流發(fā)展至對岸，在出流切應力的帶動下，上游來流向右岸偏轉，主流左側形成大范圍低速回流區(qū)，回流區(qū)流線紊亂且存在許多小漩流，回流區(qū)的存在又進一步擠壓主流區(qū)，使主流過流面積減小而形成高速區(qū)，如圖6(b)、圖7(b)所示。

圖4 不同q*河道各斷面水面線對比

隨著q*的增大，隧洞出流與主槽來流的剪切面向上游移動，且由于上游流速越來越小，隧洞出流與上游水流之間的流速差和切應力增大，在主流上游開始出現(xiàn)回流區(qū)，如圖6(d)、圖7(d)所示。兩側回流區(qū)的共同擠壓主流使主流過流斷面收縮。上游回流區(qū)的產生可能會導致下游圍堰堰腳的淘刷。

圖5 河道左右岸沿程水面線

圖6 α=45°時平面流線變化規(guī)律(Z=0.5h)

圖7 α=45°時平面流場變化規(guī)律(Z=0.5h)

2.3 出口區(qū)剖面流場變化規(guī)律

為了探究出口區(qū)沿程斷面垂線流速分布情況，文章選取導流洞出口下游M1～M6六個斷面，每個斷面取21條垂線，每條垂線上取20個點的流速值進行分析。M1～M6斷面分布如圖8所示。

圖8 M1～M6斷面示意圖

α=45°時的斷面垂線平均流速分布圖如圖9所示。由圖可知，斷面垂線平均流速在M1斷面達到最大值。隨著導流洞q*的增大，各斷面垂線平均流速極值點向右岸移動。當q*=0.4、q*=0.5時，M6～M4斷面垂線平均流速從左岸至右岸逐漸增大并在右岸達到最大值；當q*=0.6、q*=0.7、q*=0.8時，M6～M3斷面垂線平均流速從左岸至右岸逐漸增大并在右岸達到最大值，M1的最大值穩(wěn)定在x/B=0.1左右、M2的最大值穩(wěn)定在x/B=0.55左右。這主要是由于α較大，沿隧洞出口軸線至右岸距離較短，隧洞出流能輕松沖至右岸，不利于右岸的穩(wěn)定。

隨著q*的增大，河道右岸最大流速相對導流洞出口平均流速的減小率越來越小，詳見表3。q*=0.4時，右岸最大流速為3.01m/s，相對出口平均流速11.11m/s減小72.91%；q*=0.7時，右岸最大流速為8.80m/s，相對出口平均流速19.44m/s減小54.73%；q*=0.9時，右岸最大流速為19.83m/s，相對出口平均流速25.00m/s減小20.68%。結合平面流場分布，文章認為α=45°情況下，q*控制在0.7及以下為最佳。

表3 不同q*右岸最大流速

圖9 α=45°時斷面垂線平均流速分布圖

3 結論

山區(qū)性河流在采用隧洞導流過程中，通常出現(xiàn)流速高、能量集中破壞力較大、出口區(qū)域沖刷嚴重等問題。文章通過對不同入匯比下導流洞出口區(qū)域的水流特性進行數值模擬研究，得出以下結論:

(1)導流洞與主河道交匯之后，隧洞出流下游側形成分離區(qū)，隨著q*的增大，分離區(qū)范圍增大。當q*增大到一定程度時，主流上游側形成回流區(qū)，兩側回流區(qū)對主流產生擠壓使主流過流面積減小。

(2)α=45°時，隧洞出流能輕易貫穿河道在對岸形成主流，當q*超過0.7之后，隧洞出流對岸坡沖擊較大，在岸坡地質條件較差的工程中建議以q*小于0.7的方式泄流。

文章研究成果可為后續(xù)導流工程中導流洞入匯角以及入匯比的選擇提供一定的借鑒和指導，以有效減少導流洞出口區(qū)域的沖刷，增加導流工程的安全度。