節制閘開度對分水口流速分布的影響

李 紅 王文娥 胡笑濤 宋禹德 劉金良

(西北農林科技大學 旱區農業工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

節制閘是灌區渠系輸配水控制流量的特設水工建筑物，主要與分水閘配合調節和控制分水口水位及流量，對渠道輸配水及水流特性有重要影響[1-3]。我國北方灌區渠道底坡較緩，灌溉水流中泥沙含量較多，灌區分水口附近多數存在口門一側沖刷、一側泥沙淤積的問題，這不僅降低了渠道輸水能力，而且阻塞渠道，嚴重影響渠道正常運行。其根本原因在于節制閘的調控與分水口分流，改變了順直明渠水流流動方向與流速分布，引起水流結構的急劇變化，形成漩渦、回流等，造成泥沙淤積。因此，為合理調控灌區水量，解決分水口泥沙沖淤問題，需對節制閘控制下分水口附近水動力特性及其影響因素進行探究，以實現對灌溉流量的正常調控和渠道維護。

對明渠分流和匯流的水流運動規律研究開展較早：Taylor[4]于1944年對分水口水流結構進行了研究，發現分流量取決于主渠分流口水力條件；Neary等[5]對直角分汊明渠水流結構的研究發現，表層與底層流場差異較大，具有明顯的二次流現象和三維特征；現有研究[6-7]探討了明渠分流傅汝德數與分流比、收縮系數等之間的關系。曹繼文等[8]探究了分水口角度對側渠中回流區分布、口門斷面紊動強度及局部水頭損失的影響[9]。劉海強等[10]分析了側渠底高對分水口處水力特性的影響，指出側渠進口斷面最大流速和水深隨側渠底高的增大而逐漸減小。也有研究分析了分水流量與渠道水位的關系，表明分水流量的變化幅度對渠道水位變化速率影響較大[11-12]。渠道分水口水力特性不僅受到渠系結構的影響，而且受到閘門調節系統的影響[2-3]，已有研究分別探究了不同的閘門調節系統和渠首流量下渠系水力特性的變化特征及閘門的調控效果，發現閘門調節系統對渠系水力特性的影響較大[11-12]。以上研究表明分水口結構參數及節制閘調控直接影響分汊渠道水位、流量及水流結構[12-13]。現有研究大多局限于節制閘調節或分水流量對渠道水位變化影響的單一研究，閘門開度對分水口處水力特性影響的研究較少。然而，渠系水流結構復雜且受到多種因素的影響[2,10]，分水口處流場分布更為復雜，盡管試驗方法可以對斷面流速、水深進行測定，但是耗時耗力且受外界環境因素的干擾可能會導致測定結果產生偏差。近年來，隨著計算機的發展和應用，數值模擬在渠道水流特性方面的研究得到了廣泛的應用[8,10]，數值模擬能夠準確的反映不同邊界條件下明渠水流的流場分布和水力特性。

本研究擬采用試驗與數值模擬相結合的方法，對梯形渠道節制閘不同開度下分水口水力特性進行研究，分析節制閘開度(簡稱閘門開度e)對主渠道與側渠道水位、流速的影響，明確分水口處水流變化規律，以期為灌區節制閘調控提供理論依據。

1 試驗與模型設置

1.1 試驗設置

試驗于西北農林科技大學灌溉實驗站進行。試驗系統由蓄水池、泵、梯形渠道(主渠)、矩形渠道(支渠)、節制閘及直角三角形薄壁堰(2個)和回水渠道構成。節制閘為矩形平板閘門，寬30 cm，與梯形主渠底寬相同，閘門兩側與渠道側壁之間使用兩塊三角形木板封閉。圖1為試驗系統及測點布置。

試驗主渠道為梯形渠道，長30 m，底寬0.3 m，深0.6 m，邊坡系數m=1.0，底坡為1/2 000。在距主渠渠首20 m處連接一矩形分水渠(側渠)，長為7 m，寬和深為0.6 m，主渠與側渠成90°夾角。主、側渠道的糙率系數均為0.011。節制閘距離分水口下游端4 m。主渠道共設8個斷面(Ⅰ，Ⅱ，…，Ⅷ)，其中斷面Ⅰ位于分水口上游40 cm(表1)，由于分水口的作用，水流流線內側低于外側，為了詳細分析分水口處水深變化規律，在分水口處共設置4個斷面，即斷面Ⅲ，Ⅳ，…，Ⅵ，各斷面間距離相等為20 cm，每個斷面均勻布設7個測點。距離分水口上、下游20 cm處布設Ⅱ、Ⅶ斷面，每個斷面均勻布設3個測點；在分支渠道下游水深穩定處布設斷面Ⅸ，共9個測量斷面37個測點，斷面和測點的具體布置見圖1。

表1 試驗各斷面位置及水深測點數Table 1 Test the position of each section and the number of water depth measurement points

直角三角薄壁堰流量采用公式Q=1.343H2.47計算，其中H為堰上水頭，m；采用SCM60型水位測針測定水深，精度為±0.1 mm。

試驗主渠來流量為15.3 L/s，對應閘門開度為0、1、3、5、7、9、10 cm。

A-A和B-B分別為分水口處橫剖面和梯形主渠橫剖面。Q為主渠來流量，Q1為梯形支渠分流量,Q2為分水渠流量。A-A and B-B section are respectively the cross-section of diversion and main channel cross-section.Q is the main channel flow,Q1 is trapezoidal branch diversion flow,and Q2 divide channel flow.圖1 試驗系統及斷面測點布置圖Fig.1 Layout of the test system and section measurement points

1.2 數值模擬模型設置

1.2.1控制方程

不同閘門開度條件下分水口水流流場數值模擬的控制方程包括連續方程和運動方程[2,10]。渠道內水流雷諾數大于2×105，為湍流。由于分水口處水流流線急劇彎曲，適宜采用RNGk-ε湍流模型，控制方程、湍動能k和耗散率ε的方程如下。

連續方程：

運動方程：

式中：ρ為流體密度，取1 000 kg/m3；t為流動時間，s；μi、μj分別為流速矢量在xi、xj方向的分量i=1,2,3；j=1,2,3)，m/s；p為流體壓強，Pa；fi為流體所受的質量力，m/s2。

k方程：

ε方程：

控制方程采用模擬軟件Flow-3D求解，自由液面采用TruVOF方法追蹤。流項采取二階迎風格式，擴散項采取二階中心差分格式，設置最小步長為 10-6s。

1.2.2網格劃分及邊界設置

利用建模軟件對渠系統進行三維建模，主、側渠斷面形狀及尺寸與試驗渠道相同(圖1(b))，主渠長30 m、側渠長7 m，數值模擬區域坐標原點選在側渠進水口渠底(圖1(b)中O點)，X方向為主渠水流方向，Y方向為側渠主水流方向，Z方向為沿水深方向。由于分水口附近流場變化復雜，分水口附近網格加密，單元格長度為 0.01 m，其他區域單元網格為0.02 m，網格總量約為180萬。模型中主渠進口邊界設定為流量進口，進口流量分別設置為 15.3、20.0、25.0、30.0 L/s，每個流量對應閘門開度分別為0、3、5、7、9、10、11 cm；主渠下游出口和側渠末端出口設為自由出流；渠道邊壁及底部選擇無滑移固壁邊壁(wall)；自由水面以上為空氣，相對壓強為0。粗糙系數與實際試驗系統相同，取0.011。

2 結果與分析

2.1 數值模擬可靠性驗證

為驗證模擬的可靠性，將實測水深與模型模擬的水深進行對比分析。選取與試驗相同測點處的水深進行對比。圖2示出主渠來流量為15.3 L/s,節制閘關閉(開度為0 cm)時分水口附近 Ⅰ，Ⅱ，…，Ⅷ 斷面36個測點的水深實測值和模擬值分析結果，同時采用決定系數R2、納什系數NSE和均方根誤差RMSE 3個指標評價模型模擬的準確性。可見，模擬值與實測值吻合較好，模擬值與實測值的R2、NSE和RMSE分別為0.898、0.687和0.361，表明模型模擬效果較好，利用FLOW-3D可對渠道分水口處水力特性進行模擬。

圖2 主渠道斷面各測點水深模擬值與實測值對比Fig.2 Comparison of simulated and measured water depth at each measuring point of the main channel section

2.2 模擬結果分析

2.2.1水面線

3種來流量(Q=20.0、25.0、30.0 L/s)和5種閘門開度下主渠道分水口處沿程水深變化和節制閘前后沿程水深變化規律見圖3和圖4。

圖3 3種來流量(Q)不同閘門開度(e)下主渠道分水口處沿程水深變化規律Fig.3 Changes rule of water depth at the main channel the diversion at 3 kinds of flow (Q)and different gate opening (e)

圖4 3種來流量(Q)不同閘門開度(e)下節制閘前后沿程水深變化規律Fig.4 Changes rule of water depth along the front and back of the control gate at 3 kinds of flow (Q)and different gate opening (e)

不同主渠來流量和閘門開度下，梯形主渠靠近分水口處水深變化規律基本一致(圖3)。總體來看，水深沿主渠道方向呈現先降低后升高再降低的趨勢；水深最小值的位置在分水口上游段處，最大值的位置在分水口下游段處，且最大值位置點保持不變。這是由于一部分水流進入側渠使靠近分水口上游段水位下降，另一部分水流由于擴散而產生橫向流速，受到下游閘門阻力的影響，產生回流，使分水口下游端水位壅高。

由圖4可知，不同主渠來流量下，節制閘前水面較為平穩。同一主渠來流量下，閘門開度為0、3、5、7和9 cm時閘前水位小幅度上升，水流從閘門底部流出，流速較大形成收縮斷面且收縮斷面隨閘門開度增大向下游推移；當來流量為20.0、25.0、30.0 L/s對應閘門開度e為10、11、12 cm時，閘前和閘后水深基本保持不變，已達到堰流特征；不同來流量下閘門開度變化時，水流會呈現堰流和閘孔出流交替出現的現象。當來流量在20～30 L/s變化時，閘孔出流和堰流的臨界值出現在閘門開度為9～12 cm，相對閘門開度e/h(閘門開度與閘前穩定水深之比)變化為0.78～0.81。理論上，當閘底坎為平底時，e/h>0.65為堰流，e/h≤0.65為閘孔出流[16]，但張敬樓[17]、邱勇等[18]、袁新明等[19]認為其值未考慮閘門形式與布置、主渠來流條件及上下游水位和閘后水流流態等，且2種水流狀態的變換分界值并不是一個固定的值，而是有著一定變化范圍的數值[20]。由于本研究水流受閘門兩側木板引起的水流突然收縮的影響，使閘前自由水面不是水平面，靠近閘門中間位置水面最低，兩側水面逐漸升高。圖5給出了主渠來流量Q為25 L/s、閘門開度分別為10 cm(閘孔出流)和11 cm(堰流)時，節制閘上游50 cm范圍自由水面形狀。由于閘門上游兩側水面高于中間位置，當e/h>0.65時，閘門中間位置水流已經脫離閘門下緣，但兩側還受閘門限制，需增加閘門開度才能完全的形成閘孔出流，使得臨界相對閘門開度值大于理論值。

圖5 來流量為25 L/s時2種閘門開度(e)下節制閘上游50 cm范圍自由水面形狀Fig.5 Shape of the free water surface in the range of 50 cm upstream of the gate controlled under the two gate opening (e)degrees at the flow speed of 25 L/s

2.2.2閘門開度對主渠道斷面流速分布的影響

由于主渠水流流經分水口時會發生分流，導致其附近斷面流速分布也發生變化，而且節制閘在不同開度下對斷面水流流速也有著一定的影響。當閘門開度超過臨界開度后，主渠水流已全部脫離節制閘控制，形成堰流。為更好地分析閘孔出流下主渠各斷面下三維流速的變化，本研究通過模型模擬了不同閘門開度下各斷面流速變化特征。

圖6示出同一流量，不同閘門開度情況下，主渠各斷面垂線平均流速(垂線平均流速采用兩點法計算)分布圖，其中包括垂線縱向平均流速u(沿主渠X方向)、垂線橫向平均流速v(垂直于主渠X方向)、垂線垂向平均流速w(垂直于渠道方向)，為簡化描述，在后文中統一采用縱向流速、橫向流速和垂向流速替換。可知，隨著開度增大，縱向流速平面分布逐漸恢復成對數型。具體分析如下：隨著閘門開度增大，主渠水流受到阻力減小，流速分布干擾也逐漸減小。靠近分水口上游端斷面Ⅱ和斷面Ⅲ的橫向流速高于斷面Ⅰ，而閘門使主渠水流壅水，部分水流產生回流現象，致使斷面Ⅵ靠近右岸的橫向流速高于斷面Ⅴ。由于主渠中水流經過分水口時受慣性和分水口處離心力的作用，使水流在主渠和側渠產生流動分離現象，所以，分水口處橫向流速變化較大。由圖6中縱、橫向流速可知，分水口處下游縱向流速減小，而橫向流速驟然增加，是由于主渠中部分水流流向側渠所致，使該區域水量的動量交換頻繁，受擾動更加強烈。分水口上游端斷面Ⅲ的橫向流速呈先增大后減小的趨勢由于受側渠邊壁的阻礙作用；靠近分水口處，斷面Ⅲ的橫向流速小于斷面Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ。由垂向流速分布可知，不同閘門開度下分水口處垂向流速變化較大，隨著閘門開度的增大，靠近分水口處斷面Ⅵ的流速越大，遠離分水口處斷面Ⅰ和斷面Ⅱ趨于穩定。由于分水口垂向流速的分布，上下層流速均參與分流，且越靠近分水口垂向流速越大，分流現象越明顯。

Y方向為以側渠進水口渠底為原點的側渠主水流方向，圖7同。Y direction is the side channel flow direction from the bottom of the side channel as the origin,Fig.7 below is the same.圖6 來流量為30 L/s時不同閘門開度(e)下主渠各斷面垂線平均流速分布Fig.6 Vertical average velocity distribution of each section of different gate openings (e)at flow speed of 30 L/s

2.2.3閘門開度對分水口區域流速分布影響

本研究以梯形渠道為主渠道，分析了不同來流量和閘門開度下側渠進水口處水流流速變化規律。相比矩形渠道，梯形渠道的水流流速在分水口附近變化更加復雜，因此，針對梯形主渠與矩形側渠相接的分水口區域流速分布規律進行了詳細分析。

圖7示出來流量為30 L/s時不同閘門開度下分水口區域表層和底層流速分布可知，流速峰值隨著閘門開度的增大而增大，流速最小值越靠近中心位置，且表層流速大于底層流速。主流區向側渠下游右岸偏移，在側渠靠近左岸流速降低，形成不穩定漩渦和回流，在渠道實際運行中對泥沙淤積的位置產生影響。由于分水口的影響，水流進入側渠時受離心力的作用，使水流在分水口上唇段與左壁分離，產生回流，主流區偏向側渠右壁、沖擊右壁，在渠道側壁的作用下流速大小及方向發生改變。其他來流量下該區域流速變化規律相似。

h1為分水口處水深 h1 is the water depth of the diversion圖7 來流量為30 L/s時不同閘門開度(e)下分水口區域表層及底層流速分布Fig.7 Velocity distribution of surface and bottom of the diversion area of different gate openings (e)at flow is 30 L/s

3 結 論

節制閘是渠道中主要的控水建筑物，渠道中水流受節制閘調控而產生水力擾動，其中分水口處水流變化最為劇烈。本研究通過實測試驗并結合FLOW-3D模擬軟件對多種組合工況進行計算分析，得出以下結論：

1)梯形主渠分水口處沿程水深變化規律基本一致，整體變化趨勢為先降低后升高再降低。當來流量為20～30 L/s時，閘孔出流和堰流的臨界值出現在閘門開度為9～12 cm，相對開度為0.78～0.81，即堰流和閘孔出流的分界并非一個定值，受渠道形狀、閘墩形狀、流量等因素影響。

2)隨著閘門開度增大，主渠水流受到阻力減小，流速分布干擾也逐漸減小，縱向流速平面分布逐漸恢復成對數型分布；由于分水口分流的作用，分水口區域橫向流速較縱向流速和垂向流速變化劇烈。

3)分水口區域表層流速變化大于底層流速，隨著閘門開度的增大，在越靠近分水口中心的區域流速值越小，該區域易形成漩渦與回流區。