灌渠閉閘期閘前段流場特征及泥沙淤積速率分析

張芳芳，張耀哲，粟曉玲（西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌712100）

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灌渠閉閘期閘前段流場特征及泥沙淤積速率分析

張芳芳，張耀哲※，粟曉玲
（西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌712100）

摘要：為研究灌渠閉閘期閘前段流場特征及泥沙淤積速率，基于南亞某河流待建引水明渠建立水流數學模型，并借助Flow-3D軟件對高水位、中水位和低水位3種特征工況下，閉閘期閘前段流場進行模擬分析。依據盲腸水流泥沙運動的研究思路，提出閉閘期閘前明渠段泥沙淤積速率的估算方法，并結合同期明渠段懸移質泥沙模型試驗資料，率定得出閘前段泥沙淤積速率求解公式。結果表明，閉閘期閘前段出現圍繞豎軸近似呈橢圓型的回流現象，平面流速呈交替增減、水位呈中心低周界高的水力特征；泥沙淤積速率較大，灌渠將呈現累積性淤積特征。最終得出，閉閘期閘前明渠段與港池內盲腸水流運動相類似，閘前渠段淤積嚴重，引水明渠的口門初步設計方案有待充分論證的結論。

關鍵詞：灌渠；流場；泥沙；灌溉渠系；閘前段；泥沙淤積

張芳芳，張耀哲，粟曉玲. 灌渠閉閘期閘前段流場特征及泥沙淤積速率分析[J]. 農業工程學報，2016，32（2）：111－118. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.017http://www.tcsae.org

Zhang Fangfang， Zhang Yaozhe， Su Xiaoling. Analysis of flow field characteristics and sediment deposition rate in irrigation canal in front of sluice during gate closing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 111－118. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.017 http://www.tcsae.org

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0　引　言

節水灌溉模式下，渠灌區渾水利用技術是灌溉水力學的熱點問題之一。隨著灌區泥沙災害問題的日益突出，灌區渾水的安全輸移及有序調控需要越來越多的理論和技術支撐[1]。渠灌區渾水輸移問題的研究涉及到水流運動和泥沙運動兩個方面，張耀哲等在此方面已經進行了初步的研究[2-3]。對于灌區渠系節點處水流泥沙的調控技術，目前尚處于摸索階段。研究渠系節點處的水流結構特征及其泥沙運動規律，并進一步開發相關的水沙一體調控技術對促進灌區渾水資源的高效利用具有重要意義[4]。

灌溉渠系主要由引水渠首、干、支、斗、農等固定渠道組成，實際運行中多采用干支續灌、斗農渠輪灌的方式灌溉。渠首或分支渠道在非灌水期，閘門前端會形成口門開敞末端封閉的渠段。此時，閘前渠段水流運動結構復雜，主流攜帶的泥沙很容易在此淤積，造成閘前明渠段堵塞，給工程運行造成嚴重影響[5]。閉閘期閘前明渠段屬于典型的盲腸回流，盲腸回流問題的研究始于港航工程中港池及引航道泥沙淤積問題的探討。岳建平[6]劉青泉[7]董耀華[8]等分別對不同邊界條件下盲腸回流的水流結構和泥沙運動規律進行過研究。但對于灌溉渠系中盲腸水流問題，尤其是與之相關的泥沙淤積問題，目前研究較少。灌溉渠系中節點部位的盲腸水流與港航工程中盲腸水流的主要區別在于節點的銜接方式以及其他相關的水力幾何條件的不同。

本文以南亞某河流引水工程明渠口門銜接形式的初步設計方案為依據，借助FLOW-3D流體計算軟件進行閉閘期閘前明渠段水流運動規律的分析研究。通過量化描述閉閘期閘前明渠段水流要素特征，并結合現有的回流區泥沙淤積問題相關研究成果，構建灌溉渠系閉閘期閘前段泥沙淤積速率的分析計算模型。

1　閘前明渠段體型概化及計算模型的建立

1.1計算區域體型概化簡介

本文研究對象為引水明渠以73.1°分流角斜接主河道，河道岸邊局部斷面類似楔形。明渠布置在河道左岸，模擬河寬范圍為85.4 m，河底高程?11.15 m，1.33 m高程線以下坡比1∶3，以上邊坡為1∶5，河道縱坡設為1/1 000。明渠口門為開敞的喇叭口式斷面，渠道為坡比1∶3的梯形斷面，渠底高程?1.15 m。參照初步設計方案，在進行流場分析計算時，依據閘前明渠段及其與主河道的銜接形式對計算區域進行概化，其原型平面布置如圖1所示。為便于同實體模型試驗的淤積結果進行對比，統一按照40∶1的幾何比尺進行建模分析，圖2為計算區域的概化模型圖。

圖1　原型平面布置圖Fig.1　Layout of prototype

圖2　計算區域概化模型圖Fig.2　Generalized model of calculation region

1.2分析建模及其相關邊界條件的處理

本次計算利用FLOW-3D軟件進行流場分布特征的模擬分析。計算中，湍流模型采用RNG k-ε模型，網格劃分采用3個網格區塊的模式。為避免在流場紊亂的汊口區域建立網格塊，區塊分界線分別定在口門上下游的適當距離處；各區塊網格統一設置為，節點平面間距4 cm，垂向間距3 cm；河道出口為自由出流時，模擬結果易出現顯著的水位跌落，本文采用延長下游河道的方式，以保證口門附近區域水位不受影響。最終的網格數量為126萬左右，口門近區及閘前渠段網格區塊劃分結果如圖3所示。進口控制來流量，側壁和底部均為固壁邊界，出口為控制水位下的自由出流，其他均為對稱邊界。

圖3　口門近區網格劃分Fig.3　Mesh generation at lock approach

1.3計算工況說明

本次計算分別模擬了高水位（4.58 m）、中水位（2.26 m）、低水位（0.57 m）3種工況，水位流量關系如表1所示。

表1　不同工況水位流量關系Table 1　Stage-discharge relation under different conditions

2　閉閘期閘前段流場特征分析

2.1閘前回流運動的現象描述與機理分析

引水明渠以73.1°分流角與主河道斜交，模擬結果顯示，河道主流流經引水明渠口門時，各工況均出現較為明顯的水流分離現象。分界線以外的主河道區域水流沿河道主流方向一維流動特征明顯；交界面以內的明渠口門區域，水流結構復雜流態較為紊亂，表層水流能觀測到較為明顯的平面回流，流速分布沿水深變化規律復雜，閘前明渠段三維特征明顯。

進一步分析認為，喇叭口式的明渠銜接形式使得主河道過流斷面驟然突增，據伯努利方程，水流沿程將出現逆壓梯度來阻滯主流，而由于流體黏性，在河道邊界層內的水流質點，會受到更加明顯的影響，以至于減速甚至倒流。此類流體質點不斷累積，回流范圍向口門內側擴展的同時主流被逐漸推離邊界，河道主流脫離邊界，形成主河道與閘前明渠段的主、副分區流動[9]。由于明渠閘門的關閉，副流整體速度將遠小于主流，即在口門附近產生很大的流速梯度，主副流間產生強烈的交換混摻，包括水體與的動量的交換。圖4所示，A、C和B、D分別為回流橫軸、縱軸上質點，回流沿下壁向渠道內部運動過程中，受阻力及內部水流的頂托作用，回流在運動Lr距離后，必有等量的補償水流沿上壁流向口門，形成一種近似封閉的環形旋轉運動，達到動態平衡，使得回流形態保持穩定[5]。

圖4　回流平面形態示意圖Fig.4　Reflow plane configuration

2.2模擬計算結果分析

2.2.1回流平面流場與水面形態

明渠閘前段流場結構復雜，次生副流發育強烈，尤其以平面回流為主。以下各工況的流場特征分析從平面二維角度展開，圖5所示為高水位工況的流場矢量圖。

3個工況的模擬分析計算表明，主副流分界面以內的明渠區域，沿渠道邊壁均能形成近乎橢圓形的回流，且靠近回流中心，流線形狀愈接近于圓。沿回流軸線越靠近回流中心，質點流速越小；環繞回流中心的流線上，流速呈交替增減的變化規律。另外，回流中心的位置并不是固定不變的，而是處于不斷移動變化中。圖5中不同時刻的流場分布對比發現，T2時刻回流中心更接近渠道幾何中心位置。回流區整體流速遠小于河道主流速，圖中表現為交互摻混區流速梯度較大。

圖5　高水位工況下回流流速矢量場Fig.5　Velocity vector of reflow at condition of high water level

模擬分析發現，閘前段回流的另一顯著特征是外高內低的水面形態。圖6所示為高水位工況下的水位等值線，x、y仍為Flow-3D系統坐標，命名方式同圖5中圖注所示。由回流中心向外，水面逐漸升高，且下壁區平均水位較上壁區為高，但回流中心與周界水位高差整體幅度并不十分顯著。圖6的分析結果表明，閘前段的回流流態特征與一般盲腸回流的規律基本一致。劉青泉[5]的分析認為，水流做環狀運動時，產生背離回流中心的離心力，水流為平衡此力自動調整水位，結果是降低中心水位，提升周界水位，產生徑向比降，使其在重力和離心力二者共同作用下保持平衡。

2.2.2流速垂向分布與回流強度

明渠閘前段回流區是典型的三維復雜流動，文獻[8]指出回流區水流可近似看作平面豎軸環流和以環流流線為軸的徑向環流二者的疊加。事實上，垂向流速瞬態多變，且分量值較小，故本章重點分析平面流速沿水深的分布特征。如圖4所示，A、B、C分別為某一回流半徑的環形流線圖上3頂點，將其作為特征點來分析相應處的流速垂向分布特征。圖7分別為工況1、工況2下不同回流半徑Ρ的環形流線圖上3個特征點的平面流速沿水深分布情況。

圖6　回流區水位等值線圖Fig.6　Isoline of water level in reflow zone

圖7　回流特征點垂向流速分布Fig.7　Vertical distribution of flow rate of feature points

常規情況下，明渠水流流速沿垂線均符合對數或指數形式分布[10]。但對于閉閘期閘前明渠段，分析結果顯示，只有工況一下，回流半徑Ρ＝20 cm時A點流速近似符合沿水深指數增長的形式，而其它各點流速水深方向相對均勻，甚至出現底流速大于水面流速的現象。這一結果說明，閘前明渠段流速分布特征也與一般的盲腸回流所呈現的規律基本一致。劉青泉的分析認為回流區流速上下分布相對均勻的這一特點，緣于徑向環流，表流流向回流周界，底流流向回流中心，根據水流連續性，必然在回流周界出現自上而下的下潛運動，在回流中心出現自下向上的上升運動，如此環流促使上下層水流不斷進行動量交換，流速趨于均勻。

為了進一步量化描述閉閘期閘前明渠段的盲腸回流運動現象，取回流橫軸上平均流速Ur表征回流強度。提取各工況下回流強度及相應的水力參數，結果如表2所示。

表2　特征工況的水力參數統計Table 2　Hydraulic parameters at characteristic conditions

根據表2的統計結果，不考慮水深、回流寬度影響，當主流流速增大時，回流區速度增大，回流強度增加。這一點也表明閘前明渠段回流強度與一般的盲腸回流有完全相似的變化規律。分析認為:主流流速增大時，摻混區的紊動切應力增加，促使回流區速度同步增大。前述對明渠閘前段相關水流特征的分析說明，現有盲腸水流的研究成果可用于閘前明渠段水流泥沙問題的分析研究[11-12]。

3　閉閘期閘前段泥沙淤積速率的分析計算

3.1閉閘期閘前段泥沙淤積速率估算方法

閘前段回流區的水流形態十分復雜，主副流區主要通過摻混區進行動量、能量和物質的交換，可近似地認為回流區淤積的泥沙全部來源于摻混區的擴散，同時將閘前段回流區作平面二維的簡化處理。根據Fick定律，單位時間通過單位面積的主副流交界面泥沙擴散量為

式中y為回流縱軸方向；εsy為y方向上的泥沙擴散系數；為y方向上的含沙量梯度，kg/m2。

相應地，單位時間內通過的泥沙量為

式中H為水深，m；Br為回流橫軸寬度，m。閘前段口門為開闊的喇叭口形式，沿縱軸線與梯形斷面的明渠光滑銜接，斷面面積漸縮，近似以回流橫軸寬度Br表征回流區平均寬度，亦為交界面寬度，以便于積分計算。

假設在主副流交界面上有

式中Um為主流流速，m/s；Sm為主流區的含沙量，kg/m3；Sr*是回流區的飽和挾沙力，kg/m3；η、μ均未待定系數。聯立（1）、（2）、（3）、（4）式得

式中α＝η·μ為綜合系數。劉青泉[13]的分析研究中給出的系數α是定值0.0235。我們認為工程實際中盲腸回流問題各種各樣，但其主要區別應在于口門附近的水力幾何條件的不同以及交界面泥沙擴散強度的不同，系數α則正是反映口門處水力幾何條件和泥沙紊動擴散強度的的綜合參數[14-15]。

3.2閘前段泥沙淤積速率估算公式的分析與討論

式（5）中，劉青泉對回流挾沙力的確定采用的是張瑞瑾公式

該挾沙力公式作為經典是河流動力學中所普遍采用的[16-17]，但是合理確定K、m值有較大的難度。分析比選后我們建議，對于閘前明渠段回流挾沙力的計算采用扎馬林渠道挾沙力公式[18]

式中Ur為回流強度，取回流橫軸上的平均流速，m/s；R為回流區水力半徑，以回流區平均水深H表征，m；J為回流區縱向水面比降；ω為泥沙沉速，cm/s。

如前所述，綜合系數α是反映口門處水力幾何條件的參數，為了驗證綜合系數α的敏感性，我們根據同期進行的閘前段明渠懸移質泥沙淤積資料進行了α的率定，結果如表3所示。

表3的分析結果表明，4四組渾水試驗的系數α比較接近，其平均值為0.02331，與文獻[11]所給定的值0.0235相差不大。因此，作者認為對于本次計算所針對的明渠口門水力幾何條件，系數可以采用0.0235。進一步分析認為，本次計算所面對的工程問題對象系引水渠首閘前明渠段，與文獻[11]所模擬的水力幾何條件有某種程度的相似性，因此綜合系數α近似相同是合理的，但是對于灌溉渠系干、支、斗、農渠各節點處，該系數是否穩定或者有某種變化規律，仍需要進一步的研究。

3.3某工程閘前明渠段回流淤積速率計算

本文前述閘前明渠段水流流場模擬計算是以南亞某待建引水明渠為背景開展工作，基于上述分析結論，我們對流場模擬計算所對應的3種運行工況，其閘前泥沙淤積的速率進行了分析估算，結果如表4所示。

表3　閘前明渠段懸移質泥沙淤積速率綜合系數率定結果Table 3　Calibration for coefficient of suspended load accretion rate of canal before sluice

表4　某工程特征運行工況時閘前回流區泥沙淤積率計算Table 4　Accretion rate calculation of reflowing zone before sluice of project at characteristic conditions

由以上淤積計算結果可知，閉閘期閘前段回流區淤積速率較大，隨著時間推移，閘前明渠段淤積泥沙將不斷累積，勢必引起渠道堵塞，給正常的引水工作造成困難，現有口門設計方案需進一步優化論證[19-20]。

灌溉渠系中干、支、斗、農渠各節點的水力幾何條件變化較多[21]，作為綜合反映其水力幾何條件和泥沙紊動擴散強度的綜合系數α，仍需進一步展開系統完整的研究，本文僅結合具體工程實例進行了分析，相關結論供類似工程設計參考[22]。

4　結　論

1）采用Flow-3D軟件，對引水明渠閉閘期間3個特征工況下閘前段的水流流場進行了量化分析。結果表明:閉閘期閘前明渠段會產生圍繞豎軸近似橢圓型的環流，流速呈交替增減，水位呈中心低四周高的形態；由于螺旋環流，回流區各點垂向流速方向不一，但大小相對均勻，其垂向的流速分布有別于普通明渠流的垂向對數或指數分布。

2）通過水流流場的量化分析，認為閉閘期閘前段具有盲腸水流運動的相同特征，據此提出了閉閘期閘前段泥沙淤積速率的估算方法。根據同期進行的明渠段懸移質泥沙模型試驗資料，對淤積速率計算方法中的綜合系數進行了率定，為該工程其他工況淤積速率的分析計算提供了依據。

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Analysis of flow field characteristics and sediment deposition rate in irrigation canal in front of sluice during gate closing

Zhang Fangfang, Zhang Yaozhe※, Su Xiaoling
（College of Wɑter Resources ɑnd Architecturɑl Engineering, Northwest A＆F University, Yɑngling 712100, Chinɑ）

Abstract:To analyze flow field characteristics and sediment deposition rate of irrigation canal in front of sluice during the gate closing， a generalized numerical model was set up according to the preliminary design scheme of the scheduling diversion channel on a river in South Asia. By the software Flow-3D， simulation analysis of the flow field characteristics of canal in front of sluice was carried out under 3 characteristic conditions （high， medium and low water level） during the gate closing. In addition， the intensity of circulating under characteristic conditions was extracted， which was denoted by average velocity of water particle on the lateral axis of recirculation. Referring to the movements of water and sediment in closed channel， an estimation method of accretion rate of canal in front of sluice was proposed， and corresponding formula was derived， in which the coefficient α comprehensively reflected geometric hydraulic conditions and turbulent diffusion intensity of sediment at entrance. Based on the data of contemporaneous suspended sediment model， the average value of the coefficient α was 0.02331. We adopted 0.0235 for the coefficient after calibration and calculated the sediment deposition rate in canal in front of sluice under 3 characteristic conditions. Hence， approximate elliptic circulation appeared around vertical axis in the canal in front of sluice during the gate closing， and planar flow velocity showed fluctuation. Water level elevation was low in center and high all around. Planar flow velocity of inferior wall was larger than that of superior wall. Water level elevation of the former was higher than that of the latter. In fact， water in recirculation zone exhibited three-dimensional and transient property. By the Flow-3D， radial circulation around the streamline of planar circulation was obvious， which promoted mass， momentum and energy exchange to become uniform between the upper and lower flow constantly. Therefore， vertical flow velocity in recirculation zone was in different directions but relatively uniform in value， which differed from logarithmic or exponential vertical distribution of flow velocity in common open channel. On the whole， planar circulation occupied the main position，and the radial circulation was secondary in the canal in front of sluice. Intensity of planar circulation increased obviously with the main flow velocity increasing， owing to the increasing of turbulent shear stress. The flow field of canal in front of sluice was similar to that of closed channel in cecum branch during the gate closing. Results on cecum circulating flow can be used in canal in front of sluice. The sediment deposition rate of the canal in front of sluice is large， so the irrigation canal will present the trend of cumulative deposition， which certainly will bring serious influences on the operation and management of irrigation canal system. The trumpet-shaped cross section of the entrance is extremely unreasonable. Preliminary design scheme of the entrance in water diversion canal needs sufficient demonstration. However， the calculation of sediment deposition rate in the canal in front of sluice provides evidence for siltation analysis of the project under other conditions. Geometric and hydraulic conditions at entrance are various in main， branch or lateral canal. Influencing factors on the coefficient α in calculation formula of sediment deposition rate are numerous. The results in this paper can offer the reference for analogous engineering design.

Keywords:canals; flow fields; sediment; irrigation canal; canal before sluice; sediment deposition

通信作者：※張耀哲，男，陜西鳳翔人，副教授，主要從事河流動力學和工程泥沙研究。楊凌西北農林科技大學水利與建筑工程學院，712100。

作者簡介：張芳芳，女，河南三門峽人，研究方向為水力學及河流動力學。楊凌西北農林科技大學水利與建筑工程學院，712100。

基金項目：水利部公益性行業專項經費項目（201301016-01）

收稿日期：2015-07-24

修訂日期：2015-11-01

中圖分類號：S152.7

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-02-0111-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.017