双挑流坝水流性征模拟研究

第２３卷第ｌ１期　２０１７年１　１月　水利科技与经济　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｖｏ１．２３　Ｎｏ．１ｌ　Ｎｏｖ．，２０１７　双挑流坝水流性征模拟研究　黄　欢　（江西省水利水电建设有限公司，南昌３３００００）　［摘要］在双挑流坝水流体系中，坝体近边发生水流三维紊动相对更复杂，从而具有不同的　水流性征。以模拟实验的方式，探讨双挑流坝水流性征，为挑流坝工程应用提供技术参考，对　挑流坝提升设计和建造质量，实现和强化工程功能具有显著的理论和实践意义。　［关键词］挑流坝；双坝；水流性征；模拟；研究　［中图分类号］ＴＶ１３５　［文献标识码］　Ａ　［文章编号］　１００６—７１７５（２０１７）１１—００２９—０５　挑流坝改变水流形态，促生、分离和衰减漩　涡流，使得坝体近边发生水流三维紊动。而在双　与坝高的关联关系，把挑流坝划分为淹没式挑流　坝和非淹没式挑流坝两类。按性质作用，学术上　挑流坝被划分为治导型挑流坝和控导型挑流坝　两种。　挑流坝水流体系中，这种紊动系统要变得相对更　复杂。本文以模拟实验的方式，探讨双挑流坝水　流性征，以为挑流坝工程应用提供技术参考。　在实际应用中，挑流坝常常以双坝或多坝的　状态设计建造，从而相对于单体状态具有不同的　水流性征。双挑流坝水流性征的研究，对本坝种　提升设计和建造质量，实现和强化工程功能具有　显著的理论和实践意义。　１挑流坝概念简述　挑流坝是以与堤岸正交或者斜交向筑起的　伸入河道的坝种，是河道整治和维护经常使用的　坝体建筑物。一般由坝根、坝头以及坝身这３个　构成部分组成，此坝种的整体坝身与堤岸对接，　一２双挑流坝水流性征模拟实验　通过查阅资料和总结工程实践经验可知，挑　流坝间距设计一般以３至５倍坝长更为适用合　理。本模拟研究坝间距取４　ｃｍ，坝长取１　ｃｍ。挑　流坝实验平面布置见图１。　般呈正向的或者带有一定角度的Ｔ字形。　挑流坝在削弱和阻碍沿岸流或斜向波对堤　岸的侵蚀作用，在保护岸滩、改善航道、维护河相　和促进坝田淤积方面能够发挥功用。按照水位　图１挑流坝实验平面布置图　［收稿日期］２０１７一Ｏ８—０８　［作者简介］　黄欢（１９８１一），男，江西南昌人，工程师，从事水利工程施工管理工作　一２９—　第２３卷第１　１期　Ｖ０１．２３　Ｎｏ．１　１　２０１７年１　１月　ＮＯＶ．，２０１７　本模拟通过水槽进水口的流量控制和水槽　以及水槽壁面与水位超声波探头之间，都要保持　出水口的水位控制，分别探究不同水位和不同流　一定的距离。故于１号坝上游的１５．５　ｃｍ处安排　量的水流　况性征。试验进水流量和出水水位　１个超声观测点，于距离坝头０．５　ＣＩＴＩ处，再设置２　参数，具体见表１。　个超声观测点。于２号坝下游距坝头３．５　ｃｍ处　表１　试验进水流量和出水水位参数　设１个水位探头观测点。于距离坝头０．５　ＣＩ＇ＩＩ处，　２号坝上下游也分别架设１个水位探头观测点。　Ｗ　具体见　２　盯　流速实验数据经Ｆ｝１　ＰＩＶ系统测得。在试验　驼　实施巾，首先架设好ＣＣＤ相机和脉冲激光器，然　Ⅳ　后打开脉冲激光器，使需要测量的区域经由激光　＾ｌ　照亮，并以刻度尺标记ｍ来　．然后使相机拍摄域　本模拟水位实验数据采用水位自动测量系　跟激光照射域实现重合，完成标定要拍摄标志刻　统来采集，架设水位探头于观测点的正上方。为　度尺图片。之后，再使用ＰＩＶ系统开展流速测　粕　了利于超声水位探头的探测实施，两个探头之间　量，通过软件最终计算处理，获得流速实验数据。　图２挑流坝实验水位探头设位　３　双挑流坝水流性征分析　变化。在挑流坝的上游，水流受到挑流坝的阻挡　作用，挑流坝上游的坝根区域有壅水区彤成。有　３．１　流速时均分布性征　一个顺时针‘的漩涡，流速较小，涡心位于挑流坝　图３为１号挑流坝水平观测剖面的流线图以　上游约Ｘ＝５　ｃｎｌ处。在挑流坝头附近，因为过水　及时均流速等值线图。由图３可以发现，挑流坝　断面的狭窄，在坝头前水流向左偏转，偏向主槽　的布置引起了挑流坝附近的流场结构明显发生　巾问，同时挑流坝头处的流速显著增大。　流线图　时均流速等值线图　图３　挑流坝１号水平观测剖面的分析图　科　与　技经　济　黄　欢：双挑流坝水流性征模拟研究　３．２流速分布与冲刷关系　第ｌＪ期　程和河道整治应用中，双挑流坝的这种布置会　南图３时均流速等值线状态显示，１号挑流　坝表现出挑流调导作用，于坝头购成一个明显高　表现｝Ｈ窄束水流、淤积河岸和冲刷河道的作用。　在第一个挑流坝头区域形成冲刷坑，遭受局部冲　刷，同流区则发生淤积；在第二个挑流坝附近，大　流速明　顺归主槽，构成主槽冲刷。第一坝对第　二坝起到缓解冲刷的作用。　流速区，对坝头呈现剧烈冲刷。由图４显示，２号　挑流坝处于１号挑流坝产生的回流区域内，挑流　坝头受到的水流冲刷相对较弱。在实际的防洪　时均流速等值线　图４挑流坝２号水平观测剖面的分析图　３．３沿程水面线性征　流坝』二游水线抬升，但绕坝后，有跌水现象发生。　而　第二个挑流坝附近，水位一直降低，呈渐次　远离２号挑流坝下游一段距离以后，其水位开始　缓缓同升　同５为基于工况一状态下的６个观测点的水　位沿程变化　。可以看到，由于挑流坝的阻水作　，在ｌ号挑流坝的上游位置出现壅水现象，挑　图５　基于工况一状态下的６个观测点的水位沿程变化图　６为双挑流坝在Ｔ况一状态下的６个观测　点的水位沿程变化图。在经过对比后可以看到，　就在一号挑流坝的上游段，发生流速减小明　，　但其对麻的水位在逐渐升高。１号挑流坝下游，　流速也随之下降，水位大幅下降。　图６双挑流坝在工况一状态下的６个观测点的水位沿程变化图　一３１—　第２３卷第１１期　２０１７年１　１月　水利科技与经济　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｖ０１．２３　Ｎｏ．１１　Ｎｏｖ．，２０１７　３．４双挑流坝的流量变化影响　见表２。　达０．１５８　６　ｍ／ｓ；工况２状态最高流速达　０．１６４　４　ｍ／ｓ；工况３状态最高流速达　０．１７０　ｌ　ｍ／ｓ。低流速区处于靠近挑流坝上下游的　坝根区域。　由表２可以看出，总体上挑流坝附近的高流　速区形成于坝头区域，工况１状态下最高流速可　表２挑流坝１号的不同区位流速测量值　３．５水位沿程变化分析　坝处于挑流坝１号的回流区范围内。水位一定　状态下，随流量的增大，挑流坝１号上游的壅水　６个观测点３种工况状态下的水位沿程变化　曲线见图７。　由图７揭示，在３种工况下，挑流坝１号上　高度也随之增加。而其下游水位变化则不明显，　意味流量对挑流坝１号下游的水位影响并不大，　这是因为挑流坝１号的下游，受到挑流坝１号的　掩护　游，水位较高，出现壅水现象；挑流坝在２号上　游，则水位相对较低。显然，这是因为２号挑流　图７在６个观测点３种工况状态下的水位沿程变化曲线　图８为基于双坝的６个观测点３种工况状态　下的水位沿程变化曲线。经过对比可以看到，挑　流坝１号上游壅水区流速随流量增加而增加，水　位高程也随流量增加而增加；挑流坝下游低水位　区，流速随流量增加而增加，水位高程则变化不　明显。对于挑流坝２号，挑流坝上下游的水位高　度和流速关联变化均不大，说明增加流量对挑流　坝上下游水位和流速均影响较小。　一３２—　黄　欢：双挑流坝水流性征模拟研究　第１１期　图８　基于双坝的６个观测点３种工况状态下的水位沿程变化曲线　４　结　论　由上述试验结果，我们得出以下结论：　１）挑流坝的布置会引起挑流坝附近流场的　５）第一座挑流坝上游壅水区，随流量增大，　水位高度也增大，其对应流速也随流量呈正比关　系；挑流坝下游的低水位区，随流量增大，对应的　流速增加，但流量和水位相关不明显；在第二座　挑流坝的上下游，流速和水位相关变化不大。　［参考文献］　［１］李洪．丁坝水力学特性研究［Ｄ］．成都：四川大学，　２０１３．　结构发生重新分布，构成不同流速区，形成不同　的涡流，而且在坝田区域也可以形成回流域。　２）流量一定状态下，随水位增加，第一座挑　流坝高流速区向挑流坝下游呈逐渐移动，第二座　挑流坝近边流态反而更加平稳。　３）水位一定状态下，随流量加大，第一座挑　流坝坝头高流速区向挑流坝上游呈逐渐移动态，　［２］张可．不同结构型式丁坝水流特性研究［Ｄ］．重庆：　重庆交通大学，２０１２．　于第二座挑流坝近旁流态逐渐融合紊乱。　４）由于阻水作用，在第一座挑流坝的上游通　常出现壅水现象，水流绕过坝后，要发生跌水现象，　直至第二座挑流坝附近，水位开始呈逐渐降低，在　远离第二座挑流坝后，水位开始缓缓回升。　（上接第２８页）　［３］叶桢．丁坝附近紊流的三维数值模拟及局部冲刷　［Ｄ］．杭州：浙江大学，２００７．　［４］周阳．对弯道水流流态影响的试验研究［Ｄ］．沈阳：　沈阳农业大学，２０１５．　［５］胡华锋．绕流结构的试验及数值研究［Ｄ］．长沙：长　沙理工大学，２０１５．　［４］米热古丽・努尔．阿市东岸大渠渠道防渗改建工程　渠道横断面设计［Ｊ］．内蒙古水利，２０１６，（４）：８—９．　２）与土渠相比，浆砌块石衬砌渗流减小量　为５６．６％，复合防渗渠道１渗流减小量为　６０．４％，复合防渗渠道２渗流减小量为５３．９％。　３）３种防渗工程措施防渗效果差别不大，主　［５］刘宏武．汾河灌区渠道防渗工程应用复合土工膜效　果分析［Ｊ］．山西水利科技，２０１４（２）：８６—８８，９１．　［６］李学绩．渠道防渗不同类型效果的探讨［Ｊ］．山西水　利科技，１９９４（４）：２３—２５．　要考虑抗冲性能、地下水位高低、地基土透水性　能等要素因地制宜选择。　［７］孙福霞．渠道防渗设计方案比选分析［Ｊ］．黑龙江水　利科技，２０１２，４０（８）：１９１—１９２．　［参考文献］　［１］张洪明．干支渠渠道防渗技术及其发展趋势探讨　［Ｊ］．广东科技，２０１３，９（１８）：１５２—１５３．　［８］王星梅．现代渠道防渗新技术的设计与研究［Ｊ］．中　国水利，２０１３（１４）：１—３．　［９］张春雷，叶宏伟，段春娟．水泥土在河道防渗治理中　的应用［Ｊ］．建筑技术，２０１１，４２（７）：６０７—６０８．　［２］马文泽．韶山灌区渠道防渗技术及效果分析［Ｊ］．湖　南水利水电，２０１２（１）：５４—５５，５９．　［１Ｏ］袁荣宏，白杰，吴桂芬．水泥土渗透系数随围压变　化的试验研究［Ｊ］．水利水运工程学报，２０１２（５）：１３　一［３］张伟．宝清县小挠力河灌区渠道防渗衬砌的设计与　施工［Ｊ］．水利科技与经济，２０１６，２２（４）：４５—４６．　】７．　一３３—