液壓壩群對變曲率河道水力特性的影響

梁榮榮 任春平 吳金森

摘要：通過在變曲率水槽中加入液壓壩群，研究了4種工況下水槽軸線上縱向流速沿垂線的分布、紊動能及水面變化特性。結果表明：①無液壓壩時，變曲率河道中順直段的垂線流速最大值出現(xiàn)在距水槽底部0.4倍水深處：在過渡段及彎頂附近近水面流速最大;加入液壓壩群后，各液壓壩上游斷面沿水深方向的流速變化很小，最大值出現(xiàn)在距槽底0.4倍水深處，而各壩下游斷面流速分布及大小差異較大。②對于4種不同工況，紊動能沿水深方向均減小。液壓壩的存在減小了河道中水流的紊動能，無液壓壩與液壓壩全部豎起時各水深處紊動能均值沿水深方向的比值分別為1.80（距槽底0.8倍水深處）、3.02（距槽底0.4倍水深處）、5.92（距槽底0.2倍水深處），表明液壓壩對近槽底處紊動能的影響更大;當液壓壩的中間扇放倒后，河道紊動能沿程分布變化較大，且紊動能值也較其他工況大，呈波浪式分布。③豎起的液壓壩越多，最末級液壓壩上下游水位差越大，最大為0.245倍靜水深。

關鍵詞：紊動能;垂向流速分布;水面線;液壓壩群;變曲率河道

中圖分類號：TV135;TV131.2

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.004

液壓壩是一種新型的可自動升降的攔河活動壩，具有擋水和泄水雙重功能，在國內(nèi)蓄水及城市美化工程應用中多以液壓壩群的形式出現(xiàn)。由于液壓壩實際應用時間較短，因此關于液壓壩的研究較少。如：張金等[1]根據(jù)液壓壩設計實例，結合傳統(tǒng)攔河活動壩，指出其具有施工成本低、運行安全可靠、后期維護簡便等優(yōu)點;饒和平等[2]分析了現(xiàn)代水利工程活動壩中的橡膠壩、翻板壩和液壓壩的優(yōu)缺點，認為液壓壩優(yōu)點突出，值得廣泛應用和推廣;謝良平[3]利用物理模型對液壓壩泄流特性進行了試驗研究，結果表明液壓壩全部豎起正常擋水運行時類似矩形薄壁堰流，液壓壩兩邊豎起、中間放至不同角度時類似于矩形薄壁堰與三角薄壁堰的結合體，液壓壩兩邊豎起、中間完全放倒時類似于寬頂堰堰流。對于中小河流來說，在河道上連續(xù)修筑多座液壓壩可以達到重建水系、恢復植被、涵養(yǎng)水源和優(yōu)化配置水資源的目的，進而實現(xiàn)生態(tài)修復。更重要的是，液壓壩群的作用可以由防洪、排洪向洪水管理、洪水利用轉變。但是，由液壓壩引起的河道淤積問題需要高度重視，特別是當河道上連續(xù)修筑多座液壓壩時。

目前，有關學者對橡膠壩、丁壩及導流板等擋水建筑物的研究較多[4-18]，但研究的大多是壩體本身，也有少數(shù)人研究了壩體對河道水力特性的影響，但都局限于順直河道。本文探討了液壓壩群對變曲率河道軸線上水力特性的影響，以期為液壓壩群的設計和運行管理提供參考。

1 試驗簡介

試驗在天津大學河流海岸工程泥沙實驗室變曲率水槽中進行，試驗平面布置見圖1。水槽由有機玻璃彎道段、上下游水箱、兩個過渡直道段、循環(huán)水泵及連接管道組成。每個彎道段中軸線表達式為ψ=Osin（2πS/M）（ψ為實際偏角，0為最大偏角，該試驗模型最大偏角為30°，S為該點下游曲線長度，M為單個彎道段的曲線長，M =2 000 mm）。水槽斷面尺寸為600 mm×600 mm（寬×高），軸線總長度為19 350mm，入口直段長5 135 mm，出口直段長1 000 mm。為保證水流平穩(wěn)，在水流入口區(qū)域設置有蜂窩格柵。

試驗水流為恒定非均勻流，水槽中設置3道液壓壩（壩體側視圖見圖2），分別位于直道段（1#壩）、直道與彎道連接處（2#壩）及彎頂處（3#壩）。每道液壓壩共有3扇（見圖3）。采用同一流量，根據(jù)液壓壩的升降情況分為4種工況（見表1）。每種工況下測量8個斷面，測量斷面分別在各液壓壩的上下游各500 mm處及1#壩上游1435 mm處、2#壩下游1 200 mm處，各斷面分別命名為A、1U、1D、2U、2D、B、3U及3D，其中U表示該液壓壩上游斷面，D表示該液壓壩下游斷面。每個斷面上測得中軸線上的水深及中垂線上3個點（0.2H、0.4H、0.8H，H為該斷面水深）的流速。試驗中采用電磁流量計測量流量，采用聲學多普勒流速儀（ ADV）測量流速（見圖4），ADV采樣頻率為100 Hz.精度為0.001 mm/s，測點為發(fā)射點下方5 cm。圖5（u、v、w分別為縱向、橫向、垂向流速）為工況2時3U斷面0.8H處3個方向的流速變化曲線。

2 液壓壩群對變曲率水槽流速分布的影響

2.1 流速分布趨勢

在不同工況下，采用ADV測量各斷面垂線測點的縱向瞬時流速，求出其時均值，進而分析縱向時均流速沿垂線的變化規(guī)律。圖6為各工況下8個測量斷面上流速沿水深的分布情況。

由圖6可知，變曲率水槽中各工況下同斷面垂線流速分布情況不同：①工況1（即不存在液壓壩）下A、1U、1D斷面近底流速最小，近水面稍大，流速最大值出現(xiàn)在距槽底0.4H處;而在直段與彎曲段過渡部分（2U、2D、B斷面）近底流速最小，近水面流速最大;在彎頂?shù)纳舷掠危?U、3D斷面）流速分布與上游段則相反，3D斷面0.4H處流速最小。②工況2下，受液壓壩影響，各液壓壩上游斷面流速沿水深方向變化較小，近水面流速比近底流速稍小;而各壩下游斷面流速分布及大小差異較大.1#壩下游斷面近底及0.4H處縱向流速為負，最大值出現(xiàn)在0.4H處，水面附近流速為正。2#壩下游斷面近底流速為負值且值最大，0.4H處流速為正，水面附近流速最小。3#壩下游斷面流速分布接近直線，整體上負下正且水面和近底值均較大。③工況3下，各液壓壩上游斷面流速分布類似且流速大小相差很小，近水面流速小、近底流速大;各液壓壩下游斷面流速分布均勻。④工況4與工況2相似，各液壓壩上游斷面流速分布相同，大小相差較小，但各壩下游斷面流速分布相差較大，ID斷面近水面處流速最大，最小值出現(xiàn)在0.5H處，2D斷面受2#液壓壩中間扇豎起的影響，近水面及中間部分均為負值，近底流速為正值，3D斷面流速分布近似直線，水面附近流速最小，而底部流速最大。

由圖7可知：工況1下近水面流速與近底流速之差與斷面平均流速的比值約為0.2，其他工況波動劇烈，且比值正負變化;波動最劇烈的是工況2，波動幅值為1～ -4，最大值在3D斷面;工況3的波動幅值為0.2 ～ -2.最大值在1D斷面;工況4的波動幅值為0.4 ～ -3，最大值在B斷面。各工況的最值均出現(xiàn)在液壓壩下游，表明液壓壩下游的近水面與近底流速差值最大。

3 液壓壩群對變曲率水槽紊動能分布的影響

紊動流速可反映水流的紊動強度，其有大小和正負之分，一般用脈動流速的均方根來表征水流的紊動強度?？v向紊動強度計算公式為

由以上4種工況總體來看：紊動能k0.8H>k0.4H>k0.2H，即越接近水槽底，紊動能越小，但每種工況下的紊動能沿程分布有所不同。工況1下，各水深處紊動能沿程減小，3D斷面各水深處值大致相等，0.8H水位在2D斷面處突然變大.A斷面受循環(huán)水泵影響，紊動能最大。工況2下，各水深處的紊動能沿程大致不變，在3U斷面有所減小，與工況1相比，各水深各斷面處的紊動能都有所減小，各水深處紊動能均值的比值為：k0.8H1=1.8 k0.8H2，k0.4H1=3.02 k0.4H2，k0.2H1=5.92×k0.2H2（k0.8H1為工況1下距槽底0.8倍水深處各斷面紊動能的平均值，依此類推），表明液壓壩群對近槽底的紊動能影響更大。工況3下，紊動能沿程分布變化較大且紊動能值也較其他工況大，呈波浪式分布，0.8H的紊動能最大值出現(xiàn)在1U斷面，下游呈波浪式減小，而在IU斷面上.0.4H和0.2H處的紊動能相當且最小，3D斷面上各水深處紊動能相等。工況4與工況2的紊動能沿程分布相似，沿程變化不大，但在2D斷面工況4受2#壩中間扇豎起的影響，各水深處的紊動能明顯減小。

4 液壓壩群對變曲率河道水面線的影響

4.1 各工況水面線

不同工況下，采用ADV自帶的水深測量功能對各斷面中軸線上的水深進行測量。各工況下的水面線見圖9?？傮w來看，3#壩上游工況2下的水面線最高，工況1的水面線最低。2#壩上游工況4的水面線高于工況3的，下游則相反。工況1下，除A和IU斷面外，其他斷面水面線大致保持水平;而工況2下總體水面線上升，在液壓壩上下游有明顯的變化，但3#壩的水位變化最大。工況3由于液壓壩中間扇均放倒，因此水面線變化較小，在1#、3#壩上下游略微下降。工況4下受2#壩中間扇豎起的影響，該斷面上下游水位變化很大，但斷面下游水面線無明顯變化，上游的1#壩下游略微下降。

5 結論

（1）無液壓壩時，變曲率水槽順直段軸線上縱向流速沿垂線的最大值在距槽底0.4H處，在過渡段及彎曲段的流速最大值出現(xiàn)在近水面0.8H處;水槽中加入液壓壩群且全部豎起后，各液壓壩上游斷面垂線流速沿水深方向變化很小，流速分布均勻;而各壩下游流速分布及大小差異較大，流速最大值的水深都不同，且3座液壓壩下游的各斷面上的最大值均為負值，即出現(xiàn)回流;液壓壩群的中間扇放倒而其他扇豎起時，各液壓壩上游斷面流速分布趨勢類似且流速大小相差很小.0.4H水深處流速稍大，各液壓壩下游斷面流速沿垂線變化很大，近底處流速最大;當各液壓壩的兩側扇豎起而部分中間扇放倒時，各壩上游斷面流速最大值出現(xiàn)在0.4H處，各壩下游斷面流速分布差別較大。

（2）工況1下近水面流速與近底流速之差與平均流速的比值約為0.2，其他工況下該比值沿程變化較大且出現(xiàn)負值，即近水面流速比近底流速小。

（3）在液壓壩運行的各種工況下，紊動能沿水深方向均減小。

（4）液壓壩對變曲率河道的水面線影響較大，豎起的液壓壩越多，最后一道液壓壩上游的水面線越高：最后一道液壓壩上下游水位差最大，因而在液壓壩群運行過程中要注重最末級液壓壩的消能。

（5）存在液壓壩時，各液壓壩上下游水位差與初始靜水位之比在工況2下的末級最大，H3U - H3D=0. 245 H靜，工況4下2#壩次之，H3U - H3D=0.119H，其他比值均在0附近。

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【責任編輯 翟戌亮】

收稿日期：2018-05-08

基金項目：水利工程仿真與安全國家重點實驗室開放基金資助項目（HESS - 1406）：中國博士后基金資助項目（2013M541179）;太原理工大學?；鹳Y助項目（2017MS07）

作者簡介：梁榮榮（1991-），男，陜西成陽人，碩士研究生，研究方向為河流動力學