唐聰聰，劉亞坤

(大連理工大學(xué) 建工學(xué)部 水利工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

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某人工彎道式渠首分層取水結(jié)構(gòu)段模型試驗(yàn)研究

唐聰聰，劉亞坤

(大連理工大學(xué) 建工學(xué)部 水利工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

摘要：以某人工彎道式渠首改造工程為背景，在人工彎道式渠首泄洪閘上游設(shè)置分層取水結(jié)構(gòu)段，用水平隔板將水流分開，上層引水、下層沖沙。研究了分層取水建筑物的水力特性，解決了人工彎道式渠首建筑物的引水和排沙問題。為確定該分層取水結(jié)構(gòu)段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，采用水工模型試驗(yàn)方法，分別對不沖沙和泄洪閘單孔沖沙兩種試驗(yàn)工況，觀察分析了分層取水結(jié)構(gòu)段的水流流態(tài)，并測量各個(gè)斷面的水深、流速、引水流量和沖沙流量等水力要素。結(jié)果表明：該分層取水結(jié)構(gòu)段能達(dá)到設(shè)計(jì)的引水流量要求；且單孔沖沙時(shí)，閘門開度越大，沖沙效果越好。該試驗(yàn)結(jié)果可為類似的多泥沙河流的綜合整治工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：模型試驗(yàn)；分層取水結(jié)構(gòu)段；引水；沖沙

某人工彎道式渠首分層取水結(jié)構(gòu)段是利用河道水流中泥沙在垂直斷面上不同的分布規(guī)律，即含沙量沿水深遞增的規(guī)律(表層水較清，底層水含沙較多)，用工程措施將水流分層，引取表層較清的水，而把底層含沙多的水排走[1]。分層取水結(jié)構(gòu)分為懸板(或稱隔板)分層式和豎井(或稱跌井)分層式兩種型式[2-4]。該人工彎道式渠首分層取水結(jié)構(gòu)段采用的是水平懸板分層式。通過水平隔板將水流分為上下兩層，懸板上層空間作為進(jìn)水部分，用以引取河道表層水流，通過懸板上層引進(jìn)水流并進(jìn)入人工彎道，懸板下層作沖沙廊道，把底層含底沙水流排至下游[5-6]。

1工程概況

該渠首為人工彎道式分水樞紐。樞紐包括：上游河道整治段(包括左、右岸導(dǎo)流護(hù)堤)；人工彎道進(jìn)口布置在河道左岸，右岸緊鄰為3孔泄洪閘；人工彎道末端設(shè)置3孔沖沙閘和3孔進(jìn)水閘，均布置在原河道左岸。

該渠首工程是在原渠首的樞紐布置上進(jìn)行改造，主要解決連續(xù)引水和排沙的問題。改造內(nèi)容是在3孔泄洪閘前設(shè)置水平懸板式分層取水結(jié)構(gòu)段。泄洪閘底板高程為1 746 m，泄洪閘上游至儲(chǔ)沙槽結(jié)構(gòu)段始端底板縱坡均為1∶100。分層取水結(jié)構(gòu)段上層底板高程為1 748 m，水平懸板厚為0.3 m，在結(jié)構(gòu)段上游，1 748 m平臺(tái)處設(shè)置有三孔舌瓣閘門，門后設(shè)置5 m寬棧橋，閘室頂高程為1 750 m。此結(jié)構(gòu)段分為3孔，每孔單寬為7.5 m，中間閘墩厚0.75 m，邊墻厚0.8 m，分層取水結(jié)構(gòu)段總長為33.3 m。

分層取水結(jié)構(gòu)段上游設(shè)置儲(chǔ)沙槽結(jié)構(gòu)段和連接段。連接段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長度為25.789 m，分3孔，底板厚度為0.8 m，左、右側(cè)邊墻厚度為0.8 m，中墩厚度為0.75 m。左側(cè)邊墻設(shè)置為溢流堰，堰頂高程為1 749 m，堰厚度為0.8 m。

儲(chǔ)沙槽結(jié)構(gòu)段長度為100.782 m，分3孔，每孔寬度為10.105 m，中墩和底板厚度都為0.8 m，中墩頂高程為1 749 m，左右側(cè)邊墻結(jié)合渠首原有漿砌石護(hù)坡布置。該渠首工程的整體布置圖見圖1所示。

圖1工程整體布置圖

2模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

2.1模型設(shè)計(jì)

該水平懸板式分層取水結(jié)構(gòu)段模型試驗(yàn)按弗勞德重力相似準(zhǔn)則，并考慮阻力相似，模型比尺為1∶25。儲(chǔ)沙槽結(jié)構(gòu)段、人工彎道結(jié)構(gòu)段采用PVC板制作，連接段、分層取水結(jié)構(gòu)段、泄洪閘結(jié)構(gòu)段、引水閘和沖沙閘結(jié)構(gòu)段采用有機(jī)玻璃制作。試驗(yàn)中舌瓣閘門用平板閘門代替。模型分層取水結(jié)構(gòu)段縱剖面圖見圖2，模型斷面圖見圖3。

圖2　分層取水結(jié)構(gòu)段縱剖面圖

圖3模型斷面圖

2.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為不沖沙和單孔沖沙兩種工況。通過工況1研究該彎道式渠首分層取水結(jié)構(gòu)段的過流能力，繪制分層取水結(jié)構(gòu)段的水位—流量關(guān)系曲線。觀察水平懸板上、下層水流的流態(tài)，驗(yàn)證分層取水結(jié)構(gòu)段能否達(dá)到設(shè)計(jì)引水流量要求。通過工況2單孔沖沙試驗(yàn)，同一水位下，分別開啟左、中、右三孔進(jìn)行沖沙，每孔分別設(shè)置三個(gè)開度，分別觀察不同開度下該孔沖沙時(shí)的水流流態(tài)，計(jì)算其沖沙流速、引水流量和沖沙流量等。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1流態(tài)

工況1不沖沙試驗(yàn)，來水流量通過側(cè)邊溢流堰和分層取水結(jié)構(gòu)段上層進(jìn)入人工彎道再進(jìn)入引水閘中。通過試驗(yàn)過程中的觀察和測量可得，儲(chǔ)沙槽結(jié)構(gòu)段和連接段水流較平穩(wěn)，在分層取水結(jié)構(gòu)段始端上層水流會(huì)出現(xiàn)跌落，左孔水流跌落現(xiàn)象較為明顯。分層取水結(jié)構(gòu)段下層被水充滿，上層水流從右側(cè)流向左側(cè)最終跌入人工彎道通過下游引水閘引走，上層右側(cè)水深高于左側(cè)。

工況2泄洪閘單孔局開沖沙即三孔分別沖沙試驗(yàn)工況下，沖沙孔的分層取水結(jié)構(gòu)段僅下層過水，上層不過水。對應(yīng)的下游泄洪閘開度分別取e=0.125 m，e=0.250 m，e=0.500 m，這三個(gè)開度分層取水時(shí)下層均為有壓流，分層取水結(jié)構(gòu)段入口處水流稍有波動(dòng)。其他兩孔水流流態(tài)較平穩(wěn)，同樣水流在分層取水結(jié)構(gòu)段始端會(huì)出現(xiàn)跌水。當(dāng)泄洪閘閘門全開時(shí)，閘下水流流速較大，分層取水結(jié)構(gòu)段下層會(huì)出現(xiàn)明滿流交替或者是無壓流的情況。

3.2過流能力

工況1分層取水結(jié)構(gòu)段下游三孔泄洪閘全關(guān)、分層取水結(jié)構(gòu)段上層三孔舌瓣門全開、人工彎道下游三孔進(jìn)水閘全開、三孔沖沙閘全關(guān)，通過側(cè)邊溢流堰和分層取水上層引水，分別測得分層取水始端水位從1 748.819 m～1 749.500 m時(shí)引水閘的引水流量。當(dāng)分層取水始端水位較低時(shí)側(cè)邊溢流堰不過流，此時(shí)的引水流量就等于分層取水結(jié)構(gòu)段上層的過水流量；當(dāng)分層取水始端水位增大，超過側(cè)邊溢流堰堰頂高程時(shí)側(cè)邊溢流堰過流，此時(shí)引水流量為側(cè)邊溢流堰的過流量和分層取水結(jié)構(gòu)段上層的流量之和。根據(jù)試驗(yàn)測量結(jié)果得出分層取水始端水位—引水流量關(guān)系曲線(圖4～圖5)。

圖4　水位—引水流量關(guān)系曲線(水位低于1 749 m)

圖5水位—引水流量關(guān)系曲線(水位高于1 749 m)

當(dāng)分層取水始端水位低于1 749 m時(shí)，只是分層取水上層即側(cè)堰過流，此時(shí)的側(cè)邊溢流堰是不過流的，此時(shí)測得的引水流量就等于側(cè)堰的過流量；當(dāng)分層取水始端水位高于1 749 m時(shí)，側(cè)堰和側(cè)邊溢流堰同時(shí)過流，引水流量等于側(cè)堰流量和側(cè)邊溢流堰流量之和。兩階段過流形式不一樣所以圖4曲線出現(xiàn)了拐點(diǎn)。特別在圖5中繪制出第二階段即水位高于1 749 m時(shí)的水位—流量關(guān)系曲線。

分析試驗(yàn)結(jié)果可得當(dāng)分層取水始端水位為1 748.942 m時(shí)，引水流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量35 m3/s；當(dāng)分層取水始端水位為1 749.075 m時(shí)，引水流量可達(dá)設(shè)計(jì)最大流量42 m3/s。由此可得該分層取水結(jié)構(gòu)段能達(dá)到設(shè)計(jì)的過流能力要求。當(dāng)上游來水流量較大而引水閘又不需要那么多的引水流量時(shí)，多余流量可用于沖沙或者通過泄洪閘排出。

3.3流量系數(shù)

(1) 工況1不沖沙時(shí)，分層取水結(jié)構(gòu)段上層3孔舌瓣閘門全開，泄洪閘3孔檢修門落至1 747.7 m高程，泄洪閘3孔工作門全關(guān)。水經(jīng)過人工彎道被引水閘引走，引水閘引水流量等于渠首來水流量。

① 正堰為多孔寬頂堰[7]。多孔寬頂堰流公式為

(1)

其中：m表示綜合流量系數(shù)。

n=3、 b=7.5 m

② 在側(cè)邊溢流堰不過流的情況下側(cè)堰為寬頂堰。寬頂堰流量公式：

(2)

其中：m表示綜合流量系數(shù)。

b=25 m

根據(jù)以上公式計(jì)算工況1不沖沙試驗(yàn)情況下的正堰、側(cè)堰的綜合流量系數(shù)，結(jié)果見表1所示。

表1　不沖沙工況下的綜合流量系數(shù)

(2) 工況2泄洪閘單孔局開沖沙。同一分層取水始端水位1 748.9 m，此時(shí)連接段左側(cè)的側(cè)邊溢流堰不過流，則通過下游引水閘測得的引水流量即為側(cè)堰通過的流量，按照公式(1)和公式(2)計(jì)算各個(gè)試驗(yàn)工況下的正堰、側(cè)堰的綜合流量系數(shù)。每孔設(shè)置三個(gè)開度。沖沙時(shí)，該孔的上層舌瓣閘門關(guān)閉，該孔只下層過水沖沙，上層不過水。分層取水結(jié)構(gòu)段上層側(cè)堰過流都被下游引水閘引走即為測得的引水流量；沖沙孔下層過流沖沙，通過泄洪閘排向下游河道，該流量即為沖沙流量。測得的試驗(yàn)結(jié)果見表2所示。

3.4沖沙流速

據(jù)水文資料顯示該人工彎道式渠首多年平均懸移質(zhì)輸沙量為6.318×104t，多年平均推移質(zhì)輸沙量為0.1908×104t，總輸沙量為6.509×104t。分層取水結(jié)構(gòu)段的設(shè)置就是為解決該渠首的泥沙問題。利用水平懸板改變水流流態(tài)和水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)[8]，從而提高泥沙的輸移能力；由泥沙動(dòng)力學(xué)理論可知，水流的挾沙能力與流速的高次方成正比[9-15]，而水流的挾沙能力是決定渠首沖沙效果的重要因素。因此試驗(yàn)中設(shè)置工況2泄洪閘單孔局開沖沙試驗(yàn)，研究左、中、右三孔的沖沙流速并驗(yàn)證其能否達(dá)到?jīng)_沙的效果要求。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到分層取水結(jié)構(gòu)段下層入口處的沖沙流速、出口處的沖沙流速以及泄洪閘閘下的沖沙流速，結(jié)果見表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，泄洪閘閘門局開，形成閘孔出流，閘門開度越大，沖沙流量越大，閘前水位越低，分層取水結(jié)構(gòu)段下層入口、出口處的沖沙流速越大，水流的挾沙能力也就越大，沖沙效果也就越好。

表2　單孔局開沖沙工況下的綜合流量系數(shù)

表3　單孔泄洪閘局開沖沙工況下的沖沙流速計(jì)算結(jié)果

3.5水位—引水流量—沖沙流量關(guān)系曲線

工況2：泄洪閘單孔局開沖沙。下游三孔進(jìn)水閘全開，三孔沖沙閘全關(guān)，對左、中、右三孔分別進(jìn)行泄洪閘開度為e=0.25 m和e=0.50 m的試驗(yàn)，測量在不同分層取水始端水位下其對應(yīng)的引水流量和沖沙流量之間的分流關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到的關(guān)系曲線見圖6～圖11。

圖6　右孔沖沙e=0.25 m

圖7　右孔沖沙e=0.50 m

圖8　中孔沖沙e=0.25 m

圖9　中孔沖沙e=0.50 m

圖10左孔沖沙e=0.25 m

通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可得每孔開度一定的情況下引水流量和沖沙流量都隨著分層取水始端水位的增加而增加，但是引水流量變化較明顯，增加的幅度較大，而沖沙流量增加的幅度較小。由此可見沖沙流量的大小與泄洪閘的開度大小有重要關(guān)系。

圖11左孔沖沙e=0.50 m

4結(jié)論

(1) 本文采用弗勞德相似準(zhǔn)則對某人工彎道式渠首分層取水結(jié)構(gòu)段進(jìn)行了整體水工模型試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明該分層取水結(jié)構(gòu)段能夠滿足下游的引水要求；且當(dāng)上游來水流量較大而引水閘又不需要那么多的引水流量時(shí)，多余流量可用于沖沙或者通過泄洪閘排出。

(2) 工況2中當(dāng)泄洪閘閘門開度較小時(shí)，閘門前形成雍水，分層取水結(jié)構(gòu)段下層形成有壓流。當(dāng)泄洪閘閘門開度較大甚至全開時(shí)，閘前水位較小，閘下流速較大，分層取水結(jié)構(gòu)段下層會(huì)形成明滿流交替的現(xiàn)象或者是無壓流的現(xiàn)象提高水流挾沙能力，便于下層水流沖沙。

(3) 從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來說該人工彎道式渠首儲(chǔ)沙槽結(jié)構(gòu)段、連接段、分層取水結(jié)構(gòu)段、以及泄洪閘結(jié)構(gòu)段都設(shè)置為三孔，將水流分離，使沖沙過程分孔進(jìn)行，大大增加了沖沙孔內(nèi)的單寬流量，這樣即使在來水流量較小的情況下仍能保證沖沙孔的單寬流量，達(dá)到較好的沖沙效果。

(4) 實(shí)際工程運(yùn)行中可依據(jù)單孔局開沖沙的試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)實(shí)際渠首來水流量適時(shí)調(diào)整泄洪閘閘門開度及閘門開啟個(gè)數(shù)達(dá)到連續(xù)引水和沖沙的目的。

(5) 該分層取水結(jié)構(gòu)段能達(dá)到設(shè)計(jì)的引水流量要求，且能達(dá)到較好的沖沙效果，可以解決該人工彎道式渠首連續(xù)引水和排沙的問題，可以為實(shí)際中的類似工程提供借鑒。

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Model Experiment of Layered Water-taking Structure in a Project of Headwork with Artificial Bend

TANG Congcong, LIU Yakun

(CollegeofHydraulicEngineering，F(xiàn)acultyofConstructionEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian，Liaoning116024，China)

Abstract：Taking a renovation project of headwork with artificial bend as the study project, a layered water-taking structure was designed in the upstream of the floodgates of the project of headwork, which is divided into two parts by a suspension slab. The upper layer is used for water diversion and the lower layer is used for sediment washing. The hydraulic characteristics of the layered water-taking structure have been analyzed, and at the same time, the water diversion problem and sediment problem for the project of headwork can also be solved. The model experiment was used to confirm the rationality of the layered water-taking structure. The experiment includes two working conditions, one condition is that all the water flows into the headwork with bend, the other is that some water flows into the headwork with bend and the other is used for sediment washing. Only one of the three floodgates was opened in the second working condition. In the experiment, the hydraulic elements include water depth, flow velocity, and the discharge for water diversion and for sediment washing were observed and recorded. The conclusion is that the layered water-taking structure can satisfy the design requirements of the water diversion, and for the second condition, the larger the gate opening, the better its washing sediment efficiency. This research could be used for reference in the comprehensive treatment for similar structures.

Keywords:model experiment; layered water-taking structure; water diversion; sediment washing

文章編號(hào)：1672—1144(2016)01—0010—05

中圖分類號(hào)：TV651.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：唐聰聰(1989—)，女，河南省新鄭市人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ趟W(xué)。 E-mail:tccandml@163.com通訊作者：劉亞坤(1968—)，女，黑龍江訥河市人，博士，教授，博導(dǎo)，主要從事工程水力學(xué)教學(xué)與科研工作。 E-mail: liuyakun@dlut.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51479022)；國家自然科學(xué)基金(51179021)

收稿日期：2015-09-24修稿日期：2015-10-21

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.003