悬板区流场特性及其对输沙的影响(侯杰 邱秀云 周著)

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悬板区流场特性及其对输沙的影响*

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侯 杰 邱秀云 周 著

S2] F6acP~ X L0

(新疆农业大学)

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摘 要通过物理模型对悬板区流场的测试分析,以及整体模型的浑水输沙试验,揭示了悬板分层式引水渠首“引清”及高效输沙的内在原因,是悬板的设置改变了悬板区水流结构,即悬板水平分割水流,引上层清水,下层由明流生成为有压流,提高了底部流速及流速梯度,获得较高输沙能量,使其高效输沙。水利论文.x B(J S nC

关键词悬板区 流线堰 流场 输沙水利论文w"q$R*w v{ b

国家自然科学基金资助项目,编号59469002

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1 引言

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  悬板分层式引水渠首是二十世纪50年代初期,原苏联的特洛依茨基教授首次提出并在中亚地区的工程中被采用,故又称中亚式渠首。1965年新疆皮山县桑株河上建成我国第一座悬板分层式引水渠首。经过三十余年的实际运行,其引水排沙效果良好。80年代以后,新疆和田地区又建成了喀拉喀什河,玉龙喀什河等一批悬板分层式引水渠首。近年在新疆的其它地区又相继建成了阿克陶县吾依他克电站引水渠首,伊犁特克斯河山口引水枢纽,阿克苏库玛拉河协合拉引水枢纽等一批大型悬板分层式引水渠首工程。目前,新疆有用悬板分层式引水渠首取代弯道式等其他类型引水枢纽的趋势。水利论文uV?y.P

  新疆是干旱地区,又是典型的灌溉农业,其工农业用水主要依赖引取河水,而新疆的河流绝大部分属于山溪性河流,河道泥沙粒径粗,含量大,且以推移质泥沙为主,给引水枢纽引水造成极大危害。悬板分层式引水渠首利用河道含沙水流中泥沙在垂线上分布特性,即含沙量沿水深递增的分布规律,特别是推移质泥沙多集中于床面的特点,设置水平向的悬板,将含沙水流分割成上下两部分,悬板下层高含沙水流由泄洪冲沙闸泄至下游,悬板上层含沙量少的“清水”被割取引入进水闸。因而较好地解决了引水与防沙的问题。

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  悬板分层式引水渠首结构的特殊之处,在于水平向悬板的设置,使随之形成的悬板区水流结构发生了质的变化,即板下水流由明流变为有压流,进而对泥沙的输移有着明显的影响。因此悬板区流场特性就成为悬板分层式引水渠首水力特性的核心问题。

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2 试验模型及方法

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  试验研究在1∶30的中国—哈萨克斯坦霍尔果斯河友谊联合引水枢纽工程模型上进行,模型布置如图1所示。模型沙选用天然沙。

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图1 中—哈霍尔果斯河友谊联合引水枢纽工程平面布置水利论文"sJ`5s e:` I

Layout of Friendship Joint Water Diversion project in Horergusi river

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  试验时将模型沙预先铺设在上游整治段,铺沙厚度2cm(相当原型60cm),通过施放100m3/s、150m3/s、200m3/s、300m3/s和384m3/s五级典型流量,在不同的运行方式下分别量测了其水位、压力、引水流量、流速分布及泥沙分布形态,并对设置悬板与否对泥沙的输移和淤积形态进行了对比试验。水利论文P,]1p'\WT3d

3 悬板区流场特性水利论文X B4~w,Ze

  为了研究问题方便,将悬板区流场划分为四个区,如图2所示,即:板前区:悬板前缘至上游整治段;板上区:悬板前缘至悬板末端之上;板下区:悬板前缘至悬板末端之下;板后区:悬板末端至下游整治段。

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3.1 悬板区水流流态水利论文+ixB'hGAm

  试验表明,悬板的设置,改变了水面线的形式。在板前区,水位被壅高,这主要是悬板的存在,增加了对水流的阻滞作用,该影响传播至上游,从而使水面壅高;在板前沿,水面发生跌落,类似于自由出流时宽顶堰流现象。这主要是悬板的设置,使过水断面减小,垂向发生收缩,从而使流速增大,动能增加,势能减小。由试验测得,板前区佛汝德数Fr均小于1,为缓流流态,板上区佛汝德数Fr均大于1,为急流流态,且Fr的大小与悬板的前缘型式及流量有关。

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图2 悬板区流场分区示意图

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Block of flowfield in hanged plate region水利论文fa,R*E-y N!M-{6E

  在板下区,由于悬板的设置,使板下区形成有压流,由于悬板前缘的扰动,板下进口段水流流动较为紊乱,之后逐渐调整为典型的有压紊流。水利论文M%\3Y\s Z;|

  在板后区,由于中墩的分流,中墩两侧的两股水流交汇时产生碰撞分离,而形成一个x型隆起,但隆起现象随流量的增大而越来越不明显。水利论文` ~jYn[{Y

3.2 悬板区压力分布水利论文!TK p"m v@x%Nj

  图3为试验所测得的流线堰板上区的压力分布曲线。由图可见,在板上区,压力分布与一般低堰堰面的压力分布特性基本一致。在堰的缘头附近压力出现最小值,但不会出现负压。在板下区,缘头附近亦出现压力最小值,同样无负压出现。水利论文A0kAd-F(b ust(x

  图4为不同堰顶水头H0所对应的堰面最小压力pr/γ关系曲线。由图可见,悬板的H0~pr/γ关系曲线近似为一直线关系,即随着堰顶水头的增加堰面最小压力亦增加。

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图3 流线堰板上区压力分布曲线水利论文'_ `'ys`|t

Pressure distribution curve above l-weir水利论文%{:k%J#i][/S WlXY

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图4 堰顶水头与堰面最小压力关系水利论文6la6U!ka+I

Relationship between head above weir crest and minute prssure on weir surface

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  悬板区的流速变化规律直接影响整个悬板分层式引水渠首的引水和输沙。研究悬板区水流的流速分布特征,尤其是流速的变化规律至关重要。

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    图5为试验测得的悬板区流速分布图。由图可见,板前区与板上区水流速度分布均为明显的明流速度分布,并且板前区的流速小于板上区的流速。这与前面对悬板区水流流态分析是一致的,即由于悬板的设置,使过水断面减小,从而使流速增大,动能增加,势能减小。由图5可见,板下区流速沿程分布及断面上的流速分布呈明显的有压流,并且板下区的流速明显大于板上区的水流流速,同时也大于板前整治段的流速。表1给出了各级流量下悬板区的断面平均流速。由表1计算可得,板下区断面平均流速比板前和板上区的断面平均流速增加了20~40%,这也正是我们设置悬板希望达到的目的,即增大水流底部流速,有利于排除推移质泥沙。

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表1 各级流量下悬板区的断面平均流速

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Cross-sectional mean velocity in hanged plate region

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流量(m3/s)

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0.025水利论文6V0eo!G/nv&Hmt*F

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流速(m/s)水利论文_Wg'lm`(g2m

板前区

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板上区

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图5 悬板区流速分布图水利论文0q5H2RoX)L'p

Velocity distribution in plate region水利论文l3J%sB*W?oiyz

    为了进一步探明水平悬板的设置与否对板下区的流场特性及其泥沙输移的影响,进行了相同条件下设置水平悬板与不设置水平悬板的对比试验。图6为相同流量不同水位不设悬板时的底部纵向流速分布。从图中可以看出,随着水位的增高而纵向时均流速减小,显示出明渠流的特性,输沙能力也相应降低。图7为水利论文^I3tzhWX'M

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图6 无悬板时底部纵向流速分布水利论文8X%qj z}s)S

Longitudinal velocity distribution near bottom without hanged plate水利论文l0|_*O1wo N

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图7 有悬板时底部纵向流速分布水利论文 } Ugsc$x]

Longitudinal velocity distribution near bottom with hanged plate水利论文)`s/c0o+[ h1_8j0P+|

相同流量不同水位设置悬板时的底部纵向流速分布。从图中可以看出,随着水位的升高,板下区底部纵向时均流速反而增大,显示出有压流的特性,有利于泥沙的输移。通过对比有无悬板时的流速分布发现,在高低水位下,设置悬板的纵向时均流速均大于无悬板时的纵向时均流速。因此设置悬板后,在不降低引水流量的同时可增大板下区泥沙的输移速度。这一特性对中小流量而又有较高引水比的情况有着极其重要的意义。

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4 悬板区的泥沙淤积形态和输移特性水利论文'o,OU`,u*O"e

4.1 不设悬板时泥沙淤积形态和淤积特性水利论文g#NA,c_]5H~

  不设置悬板时,小流量下闸前需壅水运行,引水比达80%以上,闸前水流平缓,泥沙绝大部分在上游整治段淤积。随着来流量的增加,引水比逐渐减小,下泄流量逐渐增加,闸前的水流紊动加剧,沿纵向形成水面比降,根据泄洪闸不同运行方式和引水比的逐渐减小,横向上也存在一定的水面比降,这种水流对底部泥沙运动的影响加剧,使上游整治段淤积的泥沙呈“凸”字向前输移。靠近上游整治段中轴线的泥沙输移速度较快,两侧较慢(见图8),这是由于水流动力轴线与上游整治段中轴线基本重合,此处水流流速较中轴线两侧大,水流挟沙力强。这与前述无悬板时流速分布的测试结果是一致的。当泥沙输移至进水闸底坎附近时,部分粗颗粒泥沙淤积下来,并有部分泥沙进入引水闸。随着流量的进一步增加,进入引水闸的沙量也增加,泥沙颗粒逐渐粗化,在进水闸与上游整治段的连接圆弧附近由于局部所形成的凸岸,加之远离水流动力轴线,水流流速小,在此处形成淤积,并一直延伸到进水闸前,泥沙淤积形态如图9所示。水利论文.X]ZDW#g2|$i7h

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图8 无悬板时上游整治段泥沙分布形态水利论文 Zm8i!UI9w5Ov1oI K

Sediment distribution in upstream regulation area without hanged plate水利论文-`pP5P.J

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图9 无悬板时闸前泥沙分布形态

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Sediment distribution in upstream from gate without hanged plate

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图10 有悬板时上游整治段泥沙分布形态

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Sediment distribution in upstream regulation area with hanged plat水利论文:Bh%W/Q+oc:{Rh

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图11 有悬板时闸前泥沙分布形态水利论文-JL%SN3d?.{M6d

Sediment distribution upstream from gate with hanged plat水利论文Cf1W SbKX5l

4.2设置悬板时泥沙淤积形态及输沙特性

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  设置悬板以后,小流量时与不设悬板时上游整治段的流态和泥沙淤积形态基本相同。随着流量的增加,上游整治段的泥沙呈“凹”字型向前推进,如图10所示。当泥沙运动至悬板前沿时,泥沙的运动速度明显加快并迅速进入板下区直输至下游整治段,而越过悬板的泥沙很少,并在悬板前沿形成“清水带”。泥沙在板下区的输移速度明显大于不设置悬板的中孔泄洪闸处的输移速度,使整个闸前横断面(即板下区及中孔泄洪闸前)泥沙的输移速度不均匀,形成了与之对应的泥沙输移和淤积形态,如图11所示。其原因在于悬板的设置使闸前的水流结构发生了变化。呈现左右侧设置悬板的板下“管流”区和板上的明流区以及中部不设悬板的明流。此时板下区底部纵向流速较中部不设悬板的底部纵向流速大22%。这与前述的流速分布特性是一致的。悬板的设置也改变了悬板前缘水流结构和泥沙输移及淤积形态,改变了进水闸与上游整治段的连接圆弧段局部弯道水流,而在板下区形成有压流,一方面使底沙迅速输移至下游,而在悬板前沿形成“清水带”,另一方面在板上区的进水闸与上游整治段连接圆弧段仍保持局部弯道水流特性,但此时,被水平悬板分割以后悬板上引入的是基本不含底沙的“清水”,这就是悬板分层式引水渠首较好地解决了引水和输沙的原因所在。

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5 结论

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  通过对悬板区流场的测试分析研究及整体模型的浑水试验,得到以下结论:

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  1.悬板的设置改变了水流流态及水流内部结构,即变明流为有压流(板下区),使板下区纵向流速较不设置板时增大了22%。

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  2.由于设置悬板而改变的流场特性,有利泥沙的输移,即在垂向分割挟沙水流,在纵向加大板下流速,提高泥沙的输移能力。水利论文1j,?kL9Ol:h q"[3`

参考文献水利论文_/VXr \"U%CH9vf2{

1 水流论文集,1994.

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2 张建民,侯杰等。悬板分层式引水渠首悬板区水力特性研究。新疆农业大学学报,1997,9。水利论文.H1I*~`rol^6N/sP

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