梯形引水渠道不同彎曲度的水流特性分析

閆 科

(新疆伊犁河水利水電投資開發(fā)(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

引水渠是水利工程中的重要渠道構筑物，起著輸送水源、引水發(fā)電、農業(yè)灌溉等作用。在設計引水渠的斷面形狀時需要考慮地形因素、地質條件等，不過最常見的仍是梯形斷面。針對梯形引水渠道施工與運營的問題，眾多科研工作者通過理論解析法、有限元法、室內試驗法、現(xiàn)場監(jiān)測法等不同手段，展開了一系列的研究。周蔚蔚等[1]以某梯形引水渠為研究對象，通過COMSOL數(shù)值軟件建立梯形渠道模型，系統(tǒng)探討了不同斷面尺寸對渠道凍深、凍脹變形及應力等影響，明確了合理梯形渠道斷面尺寸以提升渠道的抗凍脹性。肖旻等[2]在Winkler地基梁理論的基礎上，同時考慮了凍土與渠道接觸面作用，建立了梯形渠道彈性凍土地基梁撓曲線方程。通過假設板間連續(xù)性和引入實際邊界條件求解了該方向。以實際梯形渠道為例，分析了渠道不同截面的凍脹位移、表面應力以及凍結李。王功[3]首先提出對邊坡系數(shù)與渠道斷面尺寸相關關系的研究中存在的問題，對此，基于導數(shù)求導手段，求解獲得了梯形渠道水力最佳斷面函數(shù)。對函數(shù)進一步探究，準確分析了邊坡系數(shù)與渠道寬深比的關系，明確了不同條件下的水力最佳斷面。劉裕[4]以喀什噶爾河灌區(qū)阿瓦提干渠為研究對象，基于渠道襯砌結構凍脹破壞機制，建立了其力學模型，求解獲得梯形渠道的凍脹力和凍脹位移。進一步明確了所建立的力學模型與土體參數(shù)無直接關系。歐祖賢等[5]推導出渠道壁面加糙下岸邊流速系數(shù)方程，并對截面尺寸、水流流速等因素的影響規(guī)律進行系統(tǒng)探討。研究表明，岸邊的流速系對渠道流量有顯著影響。宋禹德等[6]建立梯形渠道分流量方法，分析了主渠分水口水流形態(tài)。并通過分流試驗分析了分水口水頭損失規(guī)律和水面變化規(guī)律?；谀程菪我汕ㄟ^有限元軟件建立三維數(shù)值模型，對比了4種彎曲度(15°、45°、60°和90°)下的水面線分布、水流流速等，總結了渠道彎曲度對水流流動特性的影響規(guī)律。

1 工程概況

本文所研究的某引水干渠，全長1287m，設計流量為每秒2.22m3，是該地區(qū)引水干渠中重要的一條引水渠道。渠道橫截面呈“倒梯形”，渠深2m，渠底寬2.9m，上口寬4.2m，渠底襯砌厚度12cm、渠坡襯砌厚度為12～10cm，混凝土標號為C25，抗凍標號為F100，抗?jié)B標號為W6；渠底、渠坡墊層置換厚度取值均為50cm；渠道每3.3m設一道橫向伸縮縫，伸縮縫縫寬1.5cm，采用聚乙烯閉孔泡沫板夾縫，縫內表層(過水面)灌注厚2.5cm聚氨酯密封膠防滲。

2 三維數(shù)值模型

參考該引水干渠的實際尺寸，建立了截面為“倒梯形”的彎曲干渠，梯形上寬4.2m、底寬2.9m、高度2m，彎曲處曲率半徑為8m，渠道直線段均為20m，三維數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 三維數(shù)值模型圖

為研究彎曲度的影響，分別建立了4種彎曲度α工況：15°、45°、60°和90°。用四面體對模型進行網格劃分，15°工況下共劃分了8512個網格、48215個節(jié)點；45°工況下共劃分了9621個網格、53251個節(jié)點；60°工況下共劃分了10628個網格、60012個節(jié)點；90°工況下共劃分了10723個網格、60158個節(jié)點。進口處水流流速設為1.71m/s，水體自由流動。

3 計算結果分析

根據(jù)計算結果可知，水流在進入直線段已處于穩(wěn)定狀態(tài)，不同工況下水體流入彎道的條件相同。凹岸側水流流速低于凸岸側水流流速。

水面線分布隨觀測點距凹岸的距離的變化曲線如圖2所示。

圖2 水面線分布隨觀測點距凹岸的距離的變化曲線

對橫坐標距離進行無量綱化處理(以水面線總寬度對其進行無量綱化)。每種彎曲度工況下分別給出6個特征斷面結果。每種彎曲度工況下不同特征斷面的水深結果見表1。從圖中可以看出，由于干渠彎道的存在，水流產生了壅水現(xiàn)象，即水面由凸岸向凹岸逐漸抬高。對比4個彎曲度工況可知，不同彎曲度工況下特征斷面水面線變化規(guī)律存在顯著差別。隨著渠道彎曲度減小，壅水現(xiàn)象發(fā)生位置逐漸向下游移動。且最低水深出現(xiàn)的位置始終為在彎道出口處，而最大超高水深發(fā)生的位置向彎道出口處靠近。從表中可以看出，4中彎曲度工況下，最大超高水深基本都發(fā)生在凹岸1.6m水位的位置，可見，最大超高水深受渠道彎曲度的影響有限。

表1 不同特征斷面的水深結果

彎道中心位置的垂線流速隨水深的變化曲線如圖3所示。

圖3 彎道中心位置的垂線流速隨水深的變化曲線

縱坐標水深進行無量綱化處理(以直線段水深平均值對其進行無量綱化)。每種彎曲度工況下分別給出6個特征斷面的變化曲線。從圖中可以看出，不同工況下的垂線流速沿水深先緩慢增加，隨后保持穩(wěn)定，最后在靠近渠道底部處迅速減小。具體的，水流流速最大值基本都發(fā)生在z/H為0.7附近；z/H處于0.7～1.0范圍內，水流流速基本緩慢增大；z/H處于0.4～0.7范圍內，水流流速基本都處于穩(wěn)定狀態(tài)；z/H處于0～0.2范圍內，水流流速基本都顯著減小。

當渠道彎曲度為15°時，水流發(fā)生的壅水現(xiàn)象不太明顯，水流流速隨著特征斷面角度增大而逐漸增大。隨著渠道彎曲度的增大，水流發(fā)生的壅水現(xiàn)象逐漸明顯，水流流速隨著特征斷面角度的變化無明顯規(guī)律。水流最大流速隨渠道彎曲度的增大而逐漸減小，彎道前半段的水流流速隨渠道彎曲度的增大而持續(xù)減小，彎道后半段的水流流速隨渠道彎曲度的增大而持續(xù)增大。除渠道彎曲度為15°工況的流速峰值發(fā)生在彎道進口斷面，其余彎曲度工況的流速峰值發(fā)生在彎道出口斷面。這是因為當渠道彎曲度增大時，彎道內水流受受壁面作用增大，水流受阻水位抬升現(xiàn)象愈加明顯，并且壅水現(xiàn)象發(fā)生位置逐漸向上游移動，因而水流整體流速處于減小狀態(tài)，彎道入口處水流流速也減小。水流的壅水現(xiàn)象逐漸向上游移動導致彎道后半段發(fā)生落水現(xiàn)象，因而彎道后半段水流流速變大，并再彎道出口位置達到峰值。

不同觀測斷面0.5m水深的水流流速隨觀測點距凹岸的距離的變化曲線如圖4所示。

圖4 水流流速隨觀測點距凹岸的距離的變化曲線

橫坐標距離同樣進行無量綱化處理。每種彎曲度工況下分別給出6個特征斷面的變化曲線。從圖中可以看出，不同彎曲度工況下主流都有遠離凹岸向凸岸移動的趨勢，即凹岸側水流流速小于凸岸側水流流速。但兩側水流流速在彎道入口位置接近。當水流流進彎道范圍內，兩側水流流速在壁面作用下差距逐漸變大，主流靠近凸岸一側。水流在流過彎道頂后，凸岸一側的流速繼續(xù)增大并達到峰值。這是因為水流流進彎道范圍內，凹岸一側水流產生壅水現(xiàn)象導致水位抬升，凸岸一側水位降低，水位抬升區(qū)域內的水流流速低于水位降低區(qū)域內的水流流速，而水位抬升區(qū)域內的水流擠壓主流致其在彎道入口處產生向凸岸一側移動的趨勢，在彎道出口處，主流受凹岸區(qū)域內抬升水位的擠壓流速進一步加大。

4 數(shù)值與監(jiān)測結果對比

選取引水干渠某彎曲度約為45°位置的水流監(jiān)測結果與數(shù)值模擬彎曲度為45°工況的計算結果進行對比。7個觀測點10cm水深處的水流流速的對比曲線、彎道入口和出口2處對比結果如圖5所示。

圖5 監(jiān)測值與計算值對比曲線

從圖中可以看出，彎道范圍內水流流速的監(jiān)測值與計算值吻合較好，很好的證明了本文所建立模型的正確性。同時實際的水流流速略小于計算的水流流速，這可能是因為引水干渠存在少量沙子，阻礙水體留點，導致實際水流流速較低。

5 結論

(1)由于干渠彎道的存在，水流產生了壅水現(xiàn)象，即水面由凸岸向凹岸逐漸抬高。且最低水深出現(xiàn)的位置始終為在彎道出口處，而最大超高水深發(fā)生的位置向彎道出口處靠近。

(2)垂線流速沿水深均先緩慢增加，隨后保持穩(wěn)定，最后在靠近渠道底部處迅速減小。小彎曲度干渠的流速峰值發(fā)生在彎道進口斷面，大彎曲度干渠的流速峰值發(fā)生在彎道出口斷面。

(3)不同彎曲度工況下主流都有遠離凹岸向凸岸移動的趨勢。彎道范圍內兩側水流流速在壁面作用下差距逐漸變大，主流靠近凸岸一側。水流在流過彎道頂后，凸岸一側的流速繼續(xù)增大并達到峰值。

(4)由于模型中采用了近似于渠道空流的狀態(tài)，因此模型僅適用于剛開閘通水階段。