導(dǎo)墻對(duì)彎形河道中閘室水流條件變化的研究

司徒小玲

(開平市水利工程質(zhì)量管理中心，廣東 開平 529300 )

1 概 述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在各個(gè)流域都建有大大小小的水閘。但是由于地理位置和地形的影響，避免不了閘室修建在彎形河道中，彎形河道對(duì)閘室的水流特性有著重要的影響。為改變彎形河道水流對(duì)閘室的水流影響，眾多學(xué)者在彎形河道閘室上游建立導(dǎo)墻、丁壩等一系列措施，減緩彎道對(duì)閘室水流特性的影響。如許光祥[1]等對(duì)多級(jí)流量和丁壩束窄度組合試驗(yàn)的測(cè)試，給出估算上游壅水長(zhǎng)度的簡(jiǎn)單公式，為丁壩對(duì)河道水位影響提供了重要參數(shù)；李志勤[2]等通過對(duì)溢流丁壩附近自由水面的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬研究，得到頂壩附近自由水面的水流條件及影響因素；許百?gòu)?qiáng)[3]等通過對(duì)長(zhǎng)江上游丁壩水面線分布情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到透水丁壩水面線的基本分布規(guī)律；周蘇芬[4]等以寒山水庫(kù)岸邊式溢洪道為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)置進(jìn)水渠導(dǎo)墻體對(duì)水流條件有改善作用；陳斌[5]通過對(duì)四方井水庫(kù)溢洪道進(jìn)水渠導(dǎo)墻進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水渠左右導(dǎo)水墻采用對(duì)稱的圓弧形曲線+直線調(diào)整段的優(yōu)化方案，可改善水流條件，提高泄流能力。

根據(jù)學(xué)者的研究成果及相關(guān)文獻(xiàn)，本文主要是針對(duì)建設(shè)導(dǎo)墻的方式對(duì)改變閘室水流條件的影響進(jìn)行研究。通過試驗(yàn)得到閘室加導(dǎo)墻后的水流流態(tài)、流速、水位的變化情況，為類似工程建設(shè)和研究提供理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)建立

2.1 模型建立

本文主要以水利工程中雷諾相似原理按1∶50建立模型，模型河道概化為傳統(tǒng)的梯形斷面形式，河道底寬0.5 m，河道上部寬1.1 m，河高0.4 m，河道總長(zhǎng)15 m，在河道7～8 m河段處設(shè)置閘室，在閘室的彎道右側(cè)設(shè)置導(dǎo)墻進(jìn)行試驗(yàn)。在河道上下游均勻共布置10個(gè)流速、水位測(cè)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置水面流態(tài)觀察攝像機(jī)，具體見圖1和圖2。

圖1 試驗(yàn)彎道斷面圖

圖2 試驗(yàn)彎道布置圖

2.2 試驗(yàn)條件及測(cè)量

試驗(yàn)時(shí)，將上游河道充滿且閘門關(guān)閉，等河道內(nèi)水流穩(wěn)定時(shí)將閘門打開，進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)。水位測(cè)量:全程用高清攝像機(jī)拍攝試驗(yàn)整體河道水面的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)及水位波動(dòng)情況。流速測(cè)量:流速測(cè)量分為試驗(yàn)斷面流速，試驗(yàn)斷面流速根據(jù)水文學(xué)三點(diǎn)法，用旋漿式流速儀多次測(cè)量取其平均值。

3 加導(dǎo)墻前后水流條件

3.1 流 態(tài)

由于受彎道水流的影響，水流在上游閘室左側(cè)處以螺旋式流進(jìn)閘室，水流在閘室中碰撞對(duì)閘室穩(wěn)定不利。為觀察加導(dǎo)墻后時(shí)候水流形態(tài)的變化，本文通過給定相同流量及初始條件下進(jìn)行試驗(yàn)觀察，具體見圖3。

圖3 加導(dǎo)墻后流態(tài)圖

由圖3可知，在導(dǎo)墻處發(fā)生彎曲但是曲度不大，對(duì)水流條件影響較小，流線呈穩(wěn)定的曲線向下流動(dòng)進(jìn)入閘室，整個(gè)水面線比較平緩，可見加導(dǎo)墻后的水流整體穩(wěn)定性較好。

3.2 流 速

對(duì)于水閘的調(diào)度都與流量和流速有關(guān)，為研究加導(dǎo)墻后閘室前后的流速變化情況，本文還通過測(cè)量河道上下游10個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均流速情況，具體見圖4。

圖4 流速

由圖4可知，由于受到彎曲河道的影響，流速在閘室處前后波動(dòng)較明顯，波動(dòng)范圍為5～5.8 m/s,加導(dǎo)墻后流速波動(dòng)范圍為5～5.4 m/s,并且加導(dǎo)墻后流速波動(dòng)的幅度變緩。

3.3 水 位

閘室調(diào)度的好壞直接影響上下游的水位變化情況，同時(shí)對(duì)水流的穩(wěn)定及對(duì)下游沖刷有著直接的影響。為此本文還觀察了沿程水位的變化情況，主要測(cè)量河道斷面的水位特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)繪圖，具體見圖5。

圖5 水位波動(dòng)

由圖5可知，在彎曲型河道的閘室水位波動(dòng)有所增加，水位在閘室處前后波動(dòng)幅度增加，波動(dòng)范圍為0.34～0.36 m ,加導(dǎo)墻后水位波動(dòng)范圍為0.34～0.358 m,相對(duì)加導(dǎo)墻后水位波動(dòng)較緩，尤其在水位上升變緩慢，對(duì)閘室過流能力和穩(wěn)定有利。

4 結(jié) 論

1) 在水利工程研究領(lǐng)域中，加導(dǎo)墻的方式可以改變閘室及其上下游的水利條件的變化。

2) 加導(dǎo)墻進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，流線呈穩(wěn)定的曲線向下流動(dòng)進(jìn)入閘室，整個(gè)水面線比較平緩；流速波動(dòng)范圍為5～5.4 m/s,且流速波動(dòng)的幅度變緩；加導(dǎo)墻后水位波動(dòng)范圍為0.34～0.358,相對(duì)加導(dǎo)墻后水位波動(dòng)較緩，尤其是水位上升變緩慢，這對(duì)閘室過流和穩(wěn)定有利。