彎形渠道水流偏斜問題探討

郭曉宇，段喜明

（山西農業大學林學院，山西太谷030801）

近年來，水資源的開發利用越來越受到人們的重視，為實現水資源優化配置，各種水利工程設施也越來越得到廣泛的應用[1]，在各種水利工程設施中，彎形渠道是水利工程設計中遇到最多的引水設施，關于彎形渠道水流運動特點以及沖刷機理一直是河流動力學中的重點課題。當水流流經轉彎渠道時，隨彎道曲率半徑的減小水流偏斜將更加嚴重[2]。這是由于當水流通過彎道時，液體質點除受重力作用外，同時還受離心慣性力的作用，曲線運動的彎道水流在重力與離心力作用下將產生特有的運動特性，主要表現為水面縱橫比降、橫向環流、縱向垂線平均流速重分布等[3]，由于幾個方向的流動交織在一起，水流呈螺旋狀的路線前進。由于水流流動復雜，目前關于轉彎水流沒有成熟的計算公式，一般彎形渠道設計都是按照直渠水流流態進行設計，再進行適當系數修正，本試驗結果可為彎形渠道設計提供參考。

1 試驗概況

本試驗彎形渠道位于左岸，進口底高程923.28m，總長113m。包括進口控制段、緩坡段、陡槽段、尾水渠。設計最大泄量188m3/s。渠道左邊墻內側邊坡為1∶0.4，右邊墻內側為直墻。緩坡段為0～20m，底縱坡i=1/500，底寬14m。陡坡段為20～105m，底縱坡i=1/4，底寬14m。其中，20～28m為直線段，28～98m為彎道陡坡段，彎道半徑為92m，左邊墻內側邊坡為1∶0.3，右邊墻內側為直墻。直線陡坡段為98～105m，左側內邊墻由1∶0.4漸變為直墻，右側內邊墻為直墻。105～113m為反弧與挑流消能段，反弧半徑為12m，挑流采用連續重力式鼻坎。

2 試驗結果

2.1 渠道內水流流態

在設計流量下渠道主要部位底部流速如表1所示。

明渠水流流態的判別一般用佛汝德數來判別，依據佛汝德數計算公式Fr=，得到在設計流量下，渠道各主要部位的Fr數（表2）。

表2 設計流量下渠道各主要斷面Fr數

根據佛汝德數判別明渠水流流態的指標：當Fr＜1時，水流為緩流；當Fr=1時，水流為臨界流；當Fr＞1時，水流為急流[5]。結合表2所測數據可知，渠道在設計流量下，彎道及挑流段水流流態為急流。

2.2 水面線圖

在設計流量下的水面線如圖1所示。

3 調整方案

3.1 調整方案Ⅰ

3.1.1 彎道底板布置 調整方案I是在原設計方案的基礎上，把設計方案的斜面左邊墻底板從樁號0+26到樁號0+99全部加高2m（圖2）。

3.1.2 調整方案Ⅰ水面線圖 調整方案Ⅰ在設計工況下的水面線如圖3所示。

3.2 調整方案Ⅱ

3.2.1 底板和左岸側墻布置 調整方案II是在調整方案Ⅰ的基礎上，除左岸底板抬高外，還將左側部分邊墻由原設計的曲線變成直線（圖4）。

圖4中底板同調整方案Ⅰ（圖2），然后在抬高底板之處，從樁號0+47到0+99將左岸邊墻取直，邊墻仍按1∶0.3作成斜墻。

3.2.2 水面線圖 調整方案Ⅱ設計流量下的水面線如圖5所示。

3.2.3 調整方案Ⅱ流速分布 調整方案Ⅱ流速分布如表3所示。

表3 調整方案Ⅱ設計流量下各測量斷面流速 m/s

4 結論與討論

通過以上3種試驗方案的水面線示意圖比較可以看出，為了調整彎道水流偏斜而對左岸底板作出的修改，調整方案Ⅱ對水流偏斜的調整效果較好，并且左岸邊墻從樁號0+47到0+99將取直后節約工程量，減少了工程投資。經模型試驗，在設計流量下，彎道及挑流段中水流為急流，符合實際水流流態[3]。

水在流動的時候，受邊界條件的影響很大。邊界條件的微小變化，就可能引起水流形態的巨大變化。有彎形渠道必定會出現彎道水流。經模型試驗所得結果可知，其凹凸兩岸水深超高過大，在左岸靠近挑流段附近區域甚至出現無水流情況。左岸、中線、右岸水面線相差很大，水流不穩定，為此對原設計方案進行了調整。最后得出調整方案Ⅱ相對較好，其在保證過流能力、流態等相同的情況下，能較好地解決彎道水流偏斜的問題。

明渠彎道水流是工程實際中經常碰到的一種水流形式。確定渠道設計方案時，應對水流特性、工程量和工程造價等進行優化選擇，在保證安全和合理的水流銜接的前提下，應力求減少工程量和降低工程造價。

［1］ 趙學華.晉中市水資源優化配置研究 [J].山西農業科學，2007，35（7）：87-89.

［2］ 吳持恭.水力學[M].北京：高等教育出版社，1998.

［3］ 高偉，楊中華.彎道水流特性和數值模擬方法研究進展[J].水電能源科學，2009，27（1）：112-115.

［4］ 李煒.水力計算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

［5］ 武漢水利電力學院，華東水利學院.水力學[M].北京：人民教育出版社，1981.