狄 帆

（山西省水利水電科學(xué)研究院山西太原 030002）

0 引言

導(dǎo)流板是一種垂直安裝在河床上，與水流成一定角度的小型導(dǎo)流建筑物，可以改善彎道水流結(jié)構(gòu)從而在一定程度上解決彎道沖刷淤積的問題。國內(nèi)外許多學(xué)者在此領(lǐng)域做了大量的研究工作[1-5]。它可以臨時改變局部不利河勢，防止畸形河灣的形成，在工程除險防護等方面也有應(yīng)用。活動式導(dǎo)流板更是因其安全、快捷、環(huán)保、可重復(fù)使用等優(yōu)點具有良好的應(yīng)用前景。

本文在黃河上活動式導(dǎo)流裝置布置方式與導(dǎo)流效果的研究基礎(chǔ)上[6]，針對汾河中下游的實際水流狀況，采用數(shù)值模擬的方法對導(dǎo)流板的尺寸、放置角度進行研究，通過對比結(jié)果得出最佳布置方式。為活動式導(dǎo)流裝置在汾河中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 基本方程

河道彎道水流是橫向運動與縱向運動結(jié)合的螺旋流。這種水流作用下形成的凹岸坍塌后退、凸岸邊灘淤長延伸現(xiàn)象需要采取一定措施進行改善。河流河道采用的導(dǎo)流板形狀依平面的實際情況，結(jié)合橫截面積和水深確定。這些幾何上的變化需要在方程中作處理。為了適應(yīng)汾河中段河道的不規(guī)則形狀，本文中采用曲線坐標(biāo)系生成網(wǎng)格和方程處理[7，8]。

（1）2－D流函數(shù)方程

Lami系數(shù)H1，H2按下式計算：

而xξ=Δx/Δξ，yξ=Δy/Δξ，xη=Δx/Δη，yη=Δy/Δη（2）2－D渦量方程

2 不同長度導(dǎo)流板對水流的影響分析

1）計算結(jié)果分析

導(dǎo)流板布置方案：流量（Q2）為39 m3/s，導(dǎo)流板長度（TL）分別為3 m，5 m，8 m，10 m。寬度（TB）為0.5 m，河段長度（LL）為100 m，河段寬度（BB）為25 m，平均水深（HW）為1.5 m，導(dǎo)流板上游長度為20 m。導(dǎo)流板均采用垂直河道（90°）的放置方式。

河道中的水流流態(tài)隨導(dǎo)流板長度變化會發(fā)生相應(yīng)的變化。模擬計算結(jié)果如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

圖1 3m導(dǎo)流板平面流場流線圖

圖2 5m導(dǎo)流板平面流場流線圖

圖3 8m導(dǎo)流板平面流場流線圖

圖4 10m導(dǎo)流板平面流場流線圖

由導(dǎo)流板平面流場流線圖可以看出：導(dǎo)流板在束窄河道水流的同時，也使導(dǎo)流板板頭處流向改變，流速加大。隨著導(dǎo)流板長度的增加，河道中水流的流勢變化也逐漸增大。

另外，隨著導(dǎo)流板長度的增加，導(dǎo)流板頭處的渦量也逐漸增加。水流繞過導(dǎo)流板頭時，分離點以下形成旋轉(zhuǎn)角速度較大的小范圍漩渦，并且隨著水流不斷向下游移動，漩渦區(qū)范圍逐漸擴大，強度逐漸減小。

圖5、圖6、圖7、圖8為導(dǎo)流板平面流速矢量圖。

從平面流速矢量圖可以看出：河道中放置導(dǎo)流板后，板后出現(xiàn)明顯的回流，而且導(dǎo)流板越長，挑流越明顯，恢復(fù)原狀需要的距離越長。

圖中還顯示出水流方向和流速大小的變化過程。放入河道中的導(dǎo)流板影響了板前和板后流速的分布，改變了水流的方向，將水流逼向中央。在板頭附近，水流流速增大，導(dǎo)流板承受了水流的沖力；在導(dǎo)流板后，流速大幅降低，起到了保護堤岸和河床的導(dǎo)流與護岸作用。

圖5 3m導(dǎo)流板平面流速矢量圖

圖 65m導(dǎo)流板平面流速矢量圖

圖7 8m導(dǎo)流板平面流速矢量圖

圖8 10m導(dǎo)流板平面流速矢量圖

2）影響分析

導(dǎo)流板長度不同，對導(dǎo)流板附近流場分布的影響不同，導(dǎo)流板前后的流速變化不同，其影響范圍也各不相同。從表1中的數(shù)值分析可以得出不同長度的導(dǎo)流板所起的導(dǎo)流護岸效果。

表1 不同長度的導(dǎo)流板對流速的影響

隨著導(dǎo)流板長度的增加，板前最大流速、板后最小流速不斷增大，影響范圍逐漸增加，但導(dǎo)流板長度為5 m時，出現(xiàn)了峰值。當(dāng)導(dǎo)流板長度為10 m時，影響范圍不再擴大，由于流速增長幅度太大影響導(dǎo)流板的穩(wěn)定性，因此建議采用5～8 m的板長。

3 不同傾斜角度導(dǎo)流板對水流的影響分析

1）計算結(jié)果分析

導(dǎo)流板布置方案：河道流量（QZ）為39 m3/s，導(dǎo)流板長度（TL）為8 m，寬度（TB）為0.5 m，河段長度（LL）為100 m，河段寬度（BB）為25 m，平均水深（HW）為1.5 m，導(dǎo)流板上游長度為20 m。導(dǎo)流板的四種傾斜角度分別為：30°，45°，60°，90°（即垂直河道放置）。

計算結(jié)果如圖9、圖10、圖11、圖12所示。

導(dǎo)流板傾斜角度越大，導(dǎo)流板附近流場流態(tài)的變化越大，水流的挑流作用越明顯。

另外，隨著導(dǎo)流板傾斜角度增加，板頭處的渦量增大，板后的回流區(qū)增長，影響的范圍也在不斷增大。

2）影響分析

為了尋找導(dǎo)流板的最佳放置角度，分析比較了四種不同放置角度導(dǎo)流板的數(shù)值計算結(jié)果，研究不同放置角度的導(dǎo)流板對水流所產(chǎn)生的不同影響，表2為計算結(jié)果。

圖9 縱橫比為2：1的導(dǎo)流板平面流場流線圖

圖10 縱橫比為1：1的導(dǎo)流板平面流場流線圖

圖11 縱橫比為1：2的導(dǎo)流板平面流場流線圖

圖12 垂直放置的導(dǎo)流板平面流場流線圖

表2 不同傾斜角度的導(dǎo)流板對流速的影響

由表2可以看出，當(dāng)導(dǎo)流板垂直放置時，板前流速的增大幅度最大，導(dǎo)流效果好，但導(dǎo)流板受到水流沖力也最大，影響導(dǎo)流板的穩(wěn)定。當(dāng)導(dǎo)流板傾斜角度為30～45°時，板前流速逐漸增大，板后流速減小，能夠在板后形成淤積，而且影響范圍不大。

4 結(jié)論

本文采用汾河中游的河道參數(shù)，對不同長度、不同傾斜角度的導(dǎo)流板進行多方案的數(shù)值模擬。

通過比較導(dǎo)流板前流速的增大幅度、板后流速的減小幅度以及相應(yīng)的影響范圍分析了導(dǎo)流板對水流流態(tài)的影響從而確定導(dǎo)流效果的好壞。根據(jù)數(shù)值結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）河道中放置導(dǎo)流板后，導(dǎo)流板能夠改變水流的流向，流速最大值出現(xiàn)在導(dǎo)流板頭部。隨著導(dǎo)流板長度的增加，水流受到的擾動增大；導(dǎo)流板后會出現(xiàn)回流區(qū)及漩渦區(qū)，而且隨導(dǎo)流板長度的增加，漩渦區(qū)范圍也逐漸增大。

（2）傾斜布置的導(dǎo)流板與垂直布置的導(dǎo)流板相比，對水流的影響較小。相應(yīng)地，水流對導(dǎo)流板的沖力也較小，有利于導(dǎo)流板的穩(wěn)定。

[1]Odgaard，A.J.，Spoljaric A.Sediment controlby submerged vanes［J］.Hydr.Engrg.，ASCE，1986，112（12）：1164－1181.

[2]Odgaard，A.J.，Mosconi E.Streambank Protection by Submerged Vanes［J］.Hydr.Engrg.，ASCE，1987，113（4）：520－536.

[3]Odgaard，A.J.，and Wang，Y.Sediment Management with Submerged Vanes.Ⅱ：Applications［J］.Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，1991，Vol.117，No.3，pp.284－302.

[4]刁明軍，楊海波，李斌華等.彎道水力學(xué)研究現(xiàn)狀與進展［J］.西南民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，33（3）：596－601

[5]楊玲霞，張銀華，吳建平等.改善彎道急流流態(tài)的試驗研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2006（7）：77－79

[6]馮民權(quán)，范術(shù)芳，鄭邦民，鄧宇.導(dǎo)流板的布置方式及導(dǎo)流效果［J］.武漢大學(xué)學(xué)報，2009，42（1）：87－95.

[7]李義天，趙明登，曹志芳.河道平面二維水沙數(shù)學(xué)模型［M］.北京：中國水利水電出版社，2001：27－30.

[8]于永海，徐 輝，程永光.泵站前池導(dǎo)流板整流措施數(shù)值模擬研究［J］.水利水電技術(shù)，2006，37（9）：41－43.