導(dǎo)流洞不同入?yún)R比對(duì)出口區(qū)水流特性影響研究

李 勇，劉 進(jìn)

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 430071)

在自然中，不同的主支流交匯形成龐大的水系，交匯現(xiàn)象非常普遍，導(dǎo)流洞與河道的交匯是主支流交匯形式之一。一般而言，水流交匯處的水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流態(tài)差，對(duì)交匯區(qū)的沖刷破壞嚴(yán)重，增加了交匯區(qū)的防護(hù)修復(fù)工作的難度。李和[1]對(duì)模袋混凝土在河道交匯防護(hù)中從設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量控制和常見問題處置進(jìn)行了介紹；高曉靜[2]對(duì)呂梁三川河交匯處堤防進(jìn)行了重力式漿砌石和扶壁式鋼筋混凝土堤防斷面比較分析，最終采用扶壁式鋼筋混凝土堤防結(jié)構(gòu)型式。為了更好地對(duì)交匯區(qū)進(jìn)行堤壩防護(hù)，對(duì)交匯區(qū)水流特性進(jìn)行深入研究是十分必要的，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬的方法探究了不同入?yún)R角和不同入?yún)R比情況下主支流交匯區(qū)的水流特性。

針對(duì)入?yún)R角為90°的明渠交匯，相關(guān)研究較為豐富。王協(xié)康等[3]、劉同宦等[4]研究了不同入?yún)R比條件下交匯區(qū)的水流特性。結(jié)果表明：①支流入?yún)R后會(huì)對(duì)主槽水流產(chǎn)生頂托作用，使得主流在入?yún)R口的上游一段范圍內(nèi)形成雍水；②主支流在交匯區(qū)強(qiáng)烈摻混，主流受支流影響向非入?yún)R側(cè)偏移，使得過流斷面減??；③支流一側(cè)出口下游不遠(yuǎn)處形成分離區(qū)，分離區(qū)隨著入?yún)R比的增加而擴(kuò)大。張挺等[5]、劉同宦等[6]發(fā)現(xiàn)隨著支流入?yún)R比的減小，主支流水流流線中間的分界線向入?yún)R口一側(cè)偏移，駐點(diǎn)的位置也從主槽的左岸向支渠的右岸偏離。分離區(qū)的尺寸隨支渠入?yún)R比的減小而減小，但形狀參數(shù)D/L基本保持在0.166不變。

對(duì)于入?yún)R角小于90°的交匯亦有不少研究。劉同宦等[7]探究了主支流入?yún)R角為30°時(shí)的交匯區(qū)水流特性，試驗(yàn)表明該水流特性與入?yún)R角為90°時(shí)相似。周舟等[8]研究了干支流交匯角分別為30°、45°、60°、90°情況下的交匯區(qū)水面形態(tài)特征。試驗(yàn)表明，在交匯區(qū)，水面并不是呈現(xiàn)單一比降的，而是中間高兩邊低的形態(tài)。對(duì)于同一個(gè)交匯河段，交匯區(qū)的水面形態(tài)受入?yún)R比的影響極大。文獻(xiàn)[9- 10]通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了交匯河段在入?yún)R比、入?yún)R角和比降等因素改變的情況下，交匯區(qū)的水流特性。結(jié)果表明，干流下游的入?yún)R口同側(cè)必然會(huì)產(chǎn)生回流分離區(qū)，該分離區(qū)的變化受地形影響較大，且分離區(qū)范圍隨著入?yún)R比的增加而增大，回流區(qū)會(huì)形成累積性淤積。

目前針對(duì)不同入?yún)R角及入?yún)R比的研究比較多，尤其是入?yún)R角為90°的情況。文章對(duì)入?yún)R角為45°時(shí)，不同入?yún)R比下導(dǎo)流洞出口的水面線、平面流場(chǎng)以及剖面流場(chǎng)的變化規(guī)律做進(jìn)一步的研究，以期為工程設(shè)計(jì)施工提供一定的借鑒及指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型的建立與試驗(yàn)工況

1.1 出口區(qū)水流特性研究概化模型

為了進(jìn)一步研究不同入?yún)R方式下導(dǎo)流洞出口區(qū)水流特性，對(duì)導(dǎo)流隧洞和河道進(jìn)行概化。通過對(duì)類似工程的總結(jié)，在得到的山區(qū)河流中導(dǎo)流洞與河道的夾角范圍基礎(chǔ)上，選取45°入?yún)R角進(jìn)行數(shù)值建模。其中，河道寬度為100m，導(dǎo)流洞尺寸為12m×15m，河道比降為1‰，導(dǎo)流洞與河道寬度比為0.15∶1。

模型Z軸正方向?yàn)樨Q直向上，X軸正方向?yàn)榇怪彼鞣较蛴勺蟀兜接野叮皂標(biāo)鞣较驗(yàn)閅軸正方向。為了避免模型進(jìn)出口對(duì)研究區(qū)域流場(chǎng)的影響，必須保證模型中的上下游邊界和研究區(qū)域有足夠遠(yuǎn)的距離，確定模型上游主河道入口邊界距離導(dǎo)流洞出口850m，下游出口邊界距離導(dǎo)流洞出口1100m，河道模擬總長(zhǎng)度為1950m，導(dǎo)流洞模擬總長(zhǎng)度為600m，如圖1所示。

圖1 概化模型示意圖

由于概化模型中邊壁條件比較簡(jiǎn)單，所以模型整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在導(dǎo)流洞與河道的交匯區(qū)域進(jìn)行局部加密，上游進(jìn)口和下游出口區(qū)域的網(wǎng)格則相對(duì)稀疏。最終劃分的網(wǎng)格如圖2所示，其中最小的網(wǎng)格體積為0.2m3，網(wǎng)格總數(shù)量為25萬個(gè)。

圖2 概化模型網(wǎng)格劃分示意圖

1.2 試驗(yàn)工況

文章選取45°入?yún)R角進(jìn)行對(duì)比分析，定義導(dǎo)流洞入?yún)R角為α，導(dǎo)流洞入?yún)R比為q*，q*=Q洞/Q總，其中Q洞為導(dǎo)流洞泄流量，Q總為上游來流總量，在不同工程中，根據(jù)導(dǎo)流洞的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)流洞的q*相差較大，文章設(shè)置了q*分別為0.3～1.0共8個(gè)入?yún)R比，基本上覆蓋了現(xiàn)有工程在導(dǎo)流過程中導(dǎo)流洞入?yún)R比的范圍，具體研究工況見表1。

表1 入?yún)R角為45°時(shí)不同工況的入?yún)R比

2 導(dǎo)流洞不同入?yún)R比對(duì)出口區(qū)水流特性影響

2.1 出口區(qū)水面變化規(guī)律

選取導(dǎo)流洞出口斷面(Y=235)、出口上游80m處斷面(Y=150)、洞口下游最高涌浪斷面、出口下游170m處斷面(Y=400)共4個(gè)斷面的水面以及河道沿程左右岸水面進(jìn)行分析，斷面如圖3所示。

圖3 不同斷面示意圖

在不同q*情況下，隧洞出流在與河道中的水流交匯后，出口處水面產(chǎn)生不同程度的收縮，收縮程度和范圍隨著q*的增大而增大，如圖4(b)和圖5(b)所示，這跟明渠主支流交匯的現(xiàn)象一致。

出口區(qū)水位會(huì)隨著q*的增加整體下降。在洞口上游，q*的增加意味著主河道泄流量減小，而隧洞出流對(duì)上游頂托而導(dǎo)致的水位抬升值不足以抵消上游由于流量減小而導(dǎo)致的水位降低值，從整體來看，上游水位呈下降趨勢(shì)，如圖4(a)所示。根據(jù)伯努利方程可知，相同流量下，流速越大，過水面積越小，在洞口下游，導(dǎo)流洞泄流量的增大使出口區(qū)流速增大，下游過流面積減小導(dǎo)致水位降低。

當(dāng)q*大于0.6時(shí)，在導(dǎo)流洞對(duì)岸出現(xiàn)較明顯的高水位區(qū)，即出流對(duì)沖產(chǎn)生的涌浪，隨著q*的增大，涌浪的最高點(diǎn)稍向上移，涌浪范圍向上下游擴(kuò)張，如表2、圖4(c)和圖5(a)所示。

表2 不同q*右岸涌浪爬高

2.2 出口區(qū)平面流場(chǎng)變化規(guī)律

隧洞出流與河道交匯后，會(huì)在出口靠下游一側(cè)出現(xiàn)回流區(qū)。隨著q*的增大，回流區(qū)的范圍增大。當(dāng)q*增大到一定值時(shí)，隧洞出流上游側(cè)出現(xiàn)回流，回流強(qiáng)度隨著q*的增大而增大。

當(dāng)q*=0.3時(shí)，水流出洞之后向主槽下游發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由于主槽來流量較大，受隧洞出流影響較小，而河床下游左側(cè)則出現(xiàn)分離現(xiàn)象，在隧洞出口主流左側(cè)形成流速較低的分離區(qū)，如圖6(a)、圖7(a)所示。

當(dāng)q*=0.5時(shí)，出洞主流發(fā)展至對(duì)岸，在出流切應(yīng)力的帶動(dòng)下，上游來流向右岸偏轉(zhuǎn)，主流左側(cè)形成大范圍低速回流區(qū)，回流區(qū)流線紊亂且存在許多小漩流，回流區(qū)的存在又進(jìn)一步擠壓主流區(qū)，使主流過流面積減小而形成高速區(qū)，如圖6(b)、圖7(b)所示。

圖4 不同q*河道各斷面水面線對(duì)比

隨著q*的增大，隧洞出流與主槽來流的剪切面向上游移動(dòng)，且由于上游流速越來越小，隧洞出流與上游水流之間的流速差和切應(yīng)力增大，在主流上游開始出現(xiàn)回流區(qū)，如圖6(d)、圖7(d)所示。兩側(cè)回流區(qū)的共同擠壓主流使主流過流斷面收縮。上游回流區(qū)的產(chǎn)生可能會(huì)導(dǎo)致下游圍堰堰腳的淘刷。

圖5 河道左右岸沿程水面線

圖6 α=45°時(shí)平面流線變化規(guī)律(Z=0.5h)

圖7 α=45°時(shí)平面流場(chǎng)變化規(guī)律(Z=0.5h)

2.3 出口區(qū)剖面流場(chǎng)變化規(guī)律

為了探究出口區(qū)沿程斷面垂線流速分布情況，文章選取導(dǎo)流洞出口下游M1～M6六個(gè)斷面，每個(gè)斷面取21條垂線，每條垂線上取20個(gè)點(diǎn)的流速值進(jìn)行分析。M1～M6斷面分布如圖8所示。

圖8 M1～M6斷面示意圖

α=45°時(shí)的斷面垂線平均流速分布圖如圖9所示。由圖可知，斷面垂線平均流速在M1斷面達(dá)到最大值。隨著導(dǎo)流洞q*的增大，各斷面垂線平均流速極值點(diǎn)向右岸移動(dòng)。當(dāng)q*=0.4、q*=0.5時(shí)，M6～M4斷面垂線平均流速從左岸至右岸逐漸增大并在右岸達(dá)到最大值；當(dāng)q*=0.6、q*=0.7、q*=0.8時(shí)，M6～M3斷面垂線平均流速從左岸至右岸逐漸增大并在右岸達(dá)到最大值，M1的最大值穩(wěn)定在x/B=0.1左右、M2的最大值穩(wěn)定在x/B=0.55左右。這主要是由于α較大，沿隧洞出口軸線至右岸距離較短，隧洞出流能輕松沖至右岸，不利于右岸的穩(wěn)定。

隨著q*的增大，河道右岸最大流速相對(duì)導(dǎo)流洞出口平均流速的減小率越來越小，詳見表3。q*=0.4時(shí)，右岸最大流速為3.01m/s，相對(duì)出口平均流速11.11m/s減小72.91%；q*=0.7時(shí)，右岸最大流速為8.80m/s，相對(duì)出口平均流速19.44m/s減小54.73%；q*=0.9時(shí)，右岸最大流速為19.83m/s，相對(duì)出口平均流速25.00m/s減小20.68%。結(jié)合平面流場(chǎng)分布，文章認(rèn)為α=45°情況下，q*控制在0.7及以下為最佳。

表3 不同q*右岸最大流速

圖9 α=45°時(shí)斷面垂線平均流速分布圖

3 結(jié)論

山區(qū)性河流在采用隧洞導(dǎo)流過程中，通常出現(xiàn)流速高、能量集中破壞力較大、出口區(qū)域沖刷嚴(yán)重等問題。文章通過對(duì)不同入?yún)R比下導(dǎo)流洞出口區(qū)域的水流特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論:

(1)導(dǎo)流洞與主河道交匯之后，隧洞出流下游側(cè)形成分離區(qū)，隨著q*的增大，分離區(qū)范圍增大。當(dāng)q*增大到一定程度時(shí)，主流上游側(cè)形成回流區(qū)，兩側(cè)回流區(qū)對(duì)主流產(chǎn)生擠壓使主流過流面積減小。

(2)α=45°時(shí)，隧洞出流能輕易貫穿河道在對(duì)岸形成主流，當(dāng)q*超過0.7之后，隧洞出流對(duì)岸坡沖擊較大，在岸坡地質(zhì)條件較差的工程中建議以q*小于0.7的方式泄流。

文章研究成果可為后續(xù)導(dǎo)流工程中導(dǎo)流洞入?yún)R角以及入?yún)R比的選擇提供一定的借鑒和指導(dǎo)，以有效減少導(dǎo)流洞出口區(qū)域的沖刷，增加導(dǎo)流工程的安全度。