廖偉 張維樂 王文娥 王坤 鞏朝 王芳芳

摘要：堰槽組合設(shè)施在山區(qū)河流流量監(jiān)測中具有很大優(yōu)勢，臂坡作為其關(guān)鍵形狀參數(shù)，可以調(diào)節(jié)堰槽組合設(shè)施內(nèi)水動力特性，改變堰后泥沙沉積分布和下游沖刷形態(tài)。為進一步探索臂坡對堰槽組合設(shè)施水流紊動特性的影響，通過室內(nèi)試驗，分析不同臂坡、來流強度及底坡因素影響下的底層水流特性變化，探究流速、紊動能、床面切應(yīng)力等參數(shù)分布規(guī)律，揭示堰槽組合設(shè)施運行過程中水流能量耗散及沖刷機理。研究結(jié)果表明：臂坡影響流量的橫向分布，臂坡增大加劇水流聚中，使兩側(cè)堰后水流下切回流增強，增加溯源沖刷風險;臂坡和底坡增大導(dǎo)致堰后兩側(cè)紊動強度及紊動能增大，加劇了堰下水流能量耗散，有效提高了設(shè)施的消能率;相比雷諾切應(yīng)力法，設(shè)施后床面剪切應(yīng)力計算更適合采用修正紊動能法且床面剪切應(yīng)力較大值主要集中在兩側(cè)堰后區(qū)域;大尺度渦結(jié)構(gòu)主要集中在排淤量水槽出口兩側(cè)，而其他渦區(qū)分布在兩側(cè)堰后區(qū)域。

關(guān)鍵詞：堰槽組合;臂坡;溯源沖刷;水流結(jié)構(gòu);紊動;渦旋

中圖分類號：TV135

文獻標志碼：A

文章編號：1001-6791（2023）03-0465-15

收稿日期：2022-07-27;網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-03-29

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥kns.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20230329.0834.002.html

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（52079113）;江蘇省基礎(chǔ)研究計劃資助項目（BK20190142）

作者簡介：廖偉（1994—），男，四川德陽人，博士研究生，主要從事工程水力學(xué)研究。E-mail：875517412@qq.com

通訊作者：張維樂，E-mail：1833305149@qq.com

堰槽組合設(shè)施以灌區(qū)量水槽和克倫普堰為基礎(chǔ)，利用量水堰、量水槽的穩(wěn)定水位—流量關(guān)系，在保證較高測流精度及測流范圍的同時，還能滿足生態(tài)功能要求，在山區(qū)河流流量監(jiān)測中具有較大優(yōu)勢［1-6］。當堰槽組合設(shè)施在山區(qū)河道中修建和運行時，堰前和堰后區(qū)域的水流結(jié)構(gòu)將直接影響泥沙淤積分布和下游沖刷形態(tài)［7-8］，改變生態(tài)環(huán)境的演變。此外，在汛期泄洪期間，河道流量突增，會造成堰后不同程度的沖刷破壞，形成溯源沖刷［9］，影響堰槽組合設(shè)施的測流精度。因此，研究大流量下堰槽組合設(shè)施的底層水流結(jié)構(gòu)，分析堰槽組合設(shè)施的堰后沖刷、泥沙淤積及能量擴散等問題，可為堰槽組合測流設(shè)施的工作性能及體型優(yōu)化提供一定的理論參考，對堰槽組合測流設(shè)施在山區(qū)季節(jié)性河流中的推廣應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

臂坡作為堰體形狀的關(guān)鍵影響因素，可以控制主流，改變過堰流量的橫向分布，影響水流對兩側(cè)坡腳的掏刷［10-12］。Li等［13］研究表明，V型堰臂坡改變了下游湍動能水平分布，并指出兩臂夾角在60°～120°之間適宜魚類通過；馬立等［14］通過對比矩形淹沒式矮堰和帶上游堰坡的淹沒式矮堰試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)上游堰坡僅能增加下游渾水沖刷深度的振蕩頻率，并可以有效減少矮堰上游渾水沖刷深度；Baki等［15］通過數(shù)值模擬，為堆石堰的設(shè)計提供了有效池間距、河床坡度、堰高、臂角和堰布置的建議，并指出臂角大于60°適合魚類通過。目前，關(guān)于量水槽和攔水堰的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究較多，但二者研究相對獨立，對于堰槽組合設(shè)施的水力特性研究卻較少，特別是設(shè)施后底層水流結(jié)構(gòu)的認識還不足。因此，為了確保安全設(shè)計并維持河道的穩(wěn)定性，需進一步探究底層水流結(jié)構(gòu)對堰后沖刷機理的影響。

本文針對不同臂坡、底坡、來流強度等條件，對堰槽組合測流設(shè)施進行室內(nèi)模型試驗，分析底層水流的三維時均流速、紊動強度、雷諾切應(yīng)力、紊動能、2種床面切應(yīng)力以及渦旋的分布規(guī)律，旨在為堰槽組合體型比選及應(yīng)用提供理論參考。

1?堰槽組合試驗概況

1.1?水槽系統(tǒng)與測量系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由供水系統(tǒng)、變坡升降系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、智能控制終端、穩(wěn)水段、矩形試驗水槽、尾水閥門和尾水池組成。其中，玻璃試驗水槽長1 800 cm，寬80 cm，高60 cm;供水系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定目標流量來自動調(diào)節(jié)變頻器的頻率，從而實現(xiàn)控制進水流量;變坡升降系統(tǒng)可根據(jù)目標角度來實現(xiàn)角度設(shè)定，控制精度±0.1 mm;電磁流量計測量范圍為0～200 L/s，流量精度為±2%。三維流速采用超聲多普勒流速儀（ADV）測量，頻率為100 Hz，3D下視探頭，探頭直徑為6 cm，精度為±1 mm/s，采樣空間距離探頭距離為5 cm，根據(jù)不同的流速大小調(diào)整ADV的測速范圍。將坐標原點設(shè)置在距排淤量水槽進口40 cm的中軸線上，按照右手法則，將水槽的縱向流速方向設(shè)置為x軸（縱向），水槽的橫剖面方向為y軸（橫向），沿水深垂向方向設(shè)置為z軸（垂向）;試驗水槽橫向?qū)挾葹锽，水深為H。

1.2?堰槽組合體型參數(shù)與試驗方案

以臂坡為0的堰槽組合設(shè)施作為設(shè)計基礎(chǔ)模型，參照平坦V型堰設(shè)計規(guī)范以及U型堆石堰結(jié)構(gòu)參數(shù)［16-17］，設(shè)計了不同臂坡（W）的堰槽組合設(shè)施。該設(shè)施由克倫普堰和排淤量水槽組成，整個堰槽組合設(shè)施中兩側(cè)堰體長度與排淤量水槽寬度（2b）比為1∶1∶1，隔墻厚度為s，隔墻高度為d，體型參數(shù)見圖1和表1。

本試驗將流速測點平面區(qū)域劃分成3個區(qū)域，共453個測點，如圖2。堰槽組合前U形區(qū)域Ⅰ，布設(shè)138個測點;排淤量水槽錐形區(qū)域Ⅱ，布設(shè)120個測點;堰槽組合后矩形區(qū)域Ⅲ，布設(shè)195個測點。垂向測點布置在距離水槽底部1 cm范圍內(nèi)，對靠近堰槽組合設(shè)施模型區(qū)域和排淤量水槽內(nèi)的區(qū)域進行了測點加密。試驗以流量Qflow（30、45和60 L/s）、底坡S（0°、0.25°和0.5°）和側(cè)堰臂坡（0、1/16和1/8）3種變量組成了7組試驗工況（表2）。設(shè)施在山區(qū)河流中受到汛期來流特點影響，常在堰后沖刷形成自然堆石，造成下游壅水?；诖?，本試驗將下游淹沒度統(tǒng)一設(shè)置成0.9，如表2。待水流穩(wěn)定后開始采樣，每個測點測量時間取50 s，共采集5 000個瞬時流速值（u、v、w）。

1.3?流速數(shù)據(jù)處理

ADV流速測量中信噪比（RSN）和相關(guān)系數(shù)（r）是反映數(shù)據(jù)準確度的重要參數(shù)，一般認為RSN>15 dB、70%≤r≤100%時所測數(shù)據(jù)基本可靠。但在湍流強度較大或水中氣泡摻混較多條件下，平均速度可以選擇最小相關(guān)度30%進行計算，而紊動特性分析最小可以選擇相關(guān)度40%進行計算，信噪比選擇平均值15 dB［18］。本試驗中RSN均大于20 dB，外界噪音干擾很小，但堰后由于存在跌水現(xiàn)象，水中摻混了一定的氣泡，因此，制定2種數(shù)據(jù)篩分標準。對水流較平穩(wěn)的區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ，最小相關(guān)度選擇85%，平均信噪比選擇15 dB;而對于水流氣泡摻混比較大的區(qū)域Ⅲ，最小相關(guān)度選擇60%，平均信噪比選擇15 dB。篩分掉不合格的數(shù)據(jù)，并采用插值法得到合格的數(shù)據(jù)點。為了得到最終可靠的數(shù)據(jù)，去除時間序列中由于干擾產(chǎn)生的尖峰值，本文選擇了速度閾值法和濾波法做進一步篩分。

2?結(jié)果及分析

2.1?時均流速分布

2.1.1?區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ

圖3（a）為工況2條件下縱向流速（u）和平面速度（u、v）矢量分布圖;圖3（b）和圖3（c）分別為工況2下左側(cè)堰前區(qū)域縱向流速（u）和垂向流速（w）分布圖。

整體上，流速呈現(xiàn)出對稱分布。由圖3（a）和圖3（b）可知，在區(qū)域Ⅰ內(nèi)水槽中間流速略大于兩側(cè)，當兩側(cè)水流不斷流向克倫普堰時，縱向流速不斷減小，且下降速率逐漸增大。而圖3（c）呈現(xiàn)出兩側(cè)垂向流速增加速率逐漸增大，這說明當兩側(cè)水流不斷流向克倫普堰時，底層流速受到克倫普堰阻礙，縱向流速急劇減小，縱向上的動能轉(zhuǎn)化成垂向上的動能，與上層水流摻混后翻越克倫普堰堰頂，在堰后形成負流速區(qū)。在區(qū)域Ⅱ內(nèi)，水流受到排淤量水槽側(cè)壁的擠壓，流速逐漸增大，在出口處達到最大值。圖3（a）表明區(qū)域Ⅰ內(nèi)速度矢量基本保持平行，沒有明顯方向改變，堰槽組合前水流平穩(wěn)滿足量水測點選取要求;區(qū)域Ⅱ矩形段內(nèi)的速度矢量保持平行，當水流進入收縮段時，速度矢量出現(xiàn)聚中現(xiàn)象，最終在窄段內(nèi)速度矢量恢復(fù)到平行狀態(tài)。

2.1.2?區(qū)域Ⅲ

當排淤量水槽和兩側(cè)克倫普堰同時過流時，水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為便于分析其水流結(jié)構(gòu)，根據(jù)水流對堰后底部的沖擊形式，將水下淹沒射流近似看作附壁射流和沖擊射流2種。量水槽排出水流受河床底部限制，平行且緊貼壁面進行流動，對下游河床產(chǎn)生切應(yīng)力，形成附壁射流區(qū)域（圖4）。在附壁射流中，流速在立面上表現(xiàn)為雙層非對稱結(jié)構(gòu)，可分為近壁流區(qū)和邊界層外延區(qū)，本文主要測量的是近壁流區(qū)內(nèi)的流速?？藗惼昭哐呱纤餮刂称拢?∶5）流出，對堰后一定距離范圍形成沖擊，可近似看成沖擊射流。因此，克倫普堰堰上過流可劃分成附壁射流區(qū)1、沖擊射流區(qū)和附壁射流區(qū)2等3個區(qū)域（圖5）。在附壁射流區(qū)1中，水流會沿著克倫普堰頂部壁面流動，與外部水流發(fā)生摻混，形成卷吸現(xiàn)象。水流進入沖擊射流區(qū)時，射流邊界向兩側(cè)擴散，在接觸河床底部時，流動方向迅速改變，形成較大的速度梯度以及壓力梯度，易造成河床底部沖刷。同時由于堰后壁面和中軸射流區(qū)存在，限制了射流向四周擴散，與周圍水體發(fā)生摻混，形成三維方向上的環(huán)流和負流區(qū)域，形成溯源沖刷破壞。

圖6為不同工況下區(qū)域Ⅲ底部縱向流速分布，由圖6可知，中軸射流區(qū)縱向流速大于兩側(cè)流速，且在兩側(cè)堰后出現(xiàn)明顯負流速區(qū)。由圖6（a）—圖6（c）和表3（Ax為區(qū)域Ⅲ底部負流速面積，A為區(qū)域Ⅲ面積）可知，隨著臂坡增大，中軸射流區(qū)長度逐漸增大，堰后縱向負流速區(qū)面積逐漸減小。這是由于臂坡增大導(dǎo)致水流聚中加劇，從而中軸射流區(qū)縱向流速增大帶動兩側(cè)水流，減小負流速區(qū)面積。由圖6（d）—圖6（f）和表3可知，隨著流量增大，縱向負流速區(qū)面積也呈現(xiàn)出逐漸減小趨勢。由圖6（g）—圖6（i）和表3可知，隨著底坡增大，中軸射流區(qū)長度及寬度均增大，相比臂坡和底坡變化的影響，縱向負流速區(qū)面積變化較小，但負流速絕對值增大。這是由于底坡增大，導(dǎo)致水流動能增加，從而附壁射流得以快速擴散，致使沖擊射流區(qū)域增大。

由圖7可見堰后出流的2個典型特征：① 兩側(cè)堰下主要為垂向負流速區(qū)域（向下）且表現(xiàn)為聚集現(xiàn)象，聚集點出現(xiàn)在排淤量水槽和克倫普堰相交軸線上，距克倫普堰約1/8B處;② 排淤量水槽出口中軸垂向流速主要為正向流速（向上）。從圖7（a）—圖7（c）和表3知，臂坡增大，垂向負流速區(qū)域面積先增加后減小，其流速絕對值減小，而中軸區(qū)垂向正流速值隨著臂坡增大而增大。從圖7（d）—圖7（f）和表3知，隨著流量增大，垂向負流速區(qū)域面積變化規(guī)律與臂坡變化呈現(xiàn)一致，但垂向流速絕對值卻逐漸增大，聚集點從兩側(cè)邊壁移動到量水槽出口兩側(cè)區(qū)域，而中軸區(qū)垂向正流速區(qū)域面積隨著流量增大而減小。從圖7（g）—圖7（i）和表3知，垂向負流速區(qū)域面積隨著底坡增大而先減小后增大，聚集點也隨著底坡增大并向兩側(cè)邊壁移動，垂向絕對流速值增大;中軸區(qū)垂向正流速區(qū)域面積隨著底坡增大而增大，其流速值也增大。

綜上，臂坡通過改變堰上過流流量的橫向分布，導(dǎo)致更多水流在堰頂前流入排淤量水槽內(nèi)，致使堰頂過流量減少。因此，中軸區(qū)域產(chǎn)生更多上揚水流，而兩側(cè)下切水流減少。底坡增大給堰頂水流提供更多動能，使水流在克倫普背坡面滑行距離更遠，致使下切水流的聚集點向后推移。

2.2?紊動強度

紊動強度是天然河流中紊動性能的一個基本參數(shù)［19］，在一定程度上表征著堰后沖刷區(qū)域分布，通常用脈動流速的均方根來表示：

式中：σu、σv、σw分別為縱向、橫向和垂向的紊動強度;ui、vi、wi分別為3個方向的瞬時流速；ui、vi、wi分別為3個方向的時均流速;N為采樣個數(shù)。

2.2.1?縱向紊動強度

圖8為不同工況下區(qū)域Ⅲ底部縱向紊動強度分布。由圖8可知，縱向紊動強度較大值均分布在中軸射流區(qū)兩側(cè)，而較小值集中在中軸射流區(qū)內(nèi)。結(jié)合圖6可知，中軸射流區(qū)內(nèi)流速分布較為均勻，且發(fā)生紊動摻混和卷吸較少，所以紊動強度較小;而在中軸射流區(qū)兩側(cè)流速變化梯度較大，發(fā)生紊動摻混和卷吸嚴重，導(dǎo)致紊動強度較大。由圖8（a）—圖8（c）和表4可知，隨著臂坡增大，中軸射流區(qū)的流量和流速均增大，帶動兩側(cè)流速較小的水流，并卷吸更多兩側(cè)水流進行摻混，致使中軸射流區(qū)兩側(cè)和尾部的縱向紊動強度逐漸增大。由圖8（d）—圖8（f）和表4可知，隨著流量增大，底部紊動強度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，可以推斷出較小流量時，河流底部水流紊動劇烈，而隨著流量增大，水流的主要摻混可能轉(zhuǎn)移到水流中部或者頂部。由圖8（g）—圖8（i）和表4可知，隨著底坡增大，底部縱向紊動強度增大，并在中軸射流區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)紊動強度極大值的聚集區(qū)域且分布呈現(xiàn)出間歇性地向兩側(cè)擴散。

2.2.2?橫向紊動強度

圖9為不同工況下區(qū)域Ⅲ底部橫向紊動強度分布。由圖9可知，橫向紊動強度分布規(guī)律與縱向紊動強度分布具有一定的相似性，但橫向紊動強度總體上比縱向紊動強度值小。在小流量下，橫向紊動強度分布形狀比縱向紊動強度分布形狀更具有規(guī)律性且較大值主要聚集在渠道兩側(cè);隨著流量增大，較大值向交界帶（中軸射流區(qū)與兩側(cè)射流區(qū)交界的區(qū)域定義為交界帶）區(qū)域靠近。在較大底坡下，橫向紊動強度沒有出現(xiàn)間歇性極大值區(qū)域，而主要集中在兩側(cè)堰后區(qū)域。

2.3?紊動能

紊動能（ETK）是一種可以用來表征紊流強度的參數(shù)［20］，能夠較為直觀地反映出水流整體的紊動狀況，同時在能量轉(zhuǎn)換和傳遞中起重要作用，其表達式為

式中：u′、v′、w′分別表示縱向、橫向、垂向上的脈動流速。

圖10為不同工況下區(qū)域Ⅲ底部紊動能分布。由圖10可知，受到兩側(cè)二次環(huán)流影響，紊動能較大值均出現(xiàn)在交界帶和兩側(cè)堰后沖擊區(qū)域內(nèi)，由于中軸射流區(qū)內(nèi)水流不受二次環(huán)流影響，與周圍水體摻混較弱，所以紊動能較小值主要集中在中軸射流區(qū)。由圖10（a）—10（c）可知，隨著臂坡增大，兩側(cè)堰后區(qū)域內(nèi)的紊動能增大且較大值區(qū)域也增大;兩側(cè)臂坡增大導(dǎo)致排淤量水槽內(nèi)排出的流量增大，致使與兩側(cè)水流發(fā)生劇烈摻混，此時時均流速動能在交界帶與兩側(cè)水流發(fā)生動量傳遞，轉(zhuǎn)化成紊動能;但伴隨著摻混時形成的渦旋，會不斷帶動紊動能向兩側(cè)和上部區(qū)域擴散，導(dǎo)致兩側(cè)較大紊動能值分布區(qū)域擴大。由圖10（d）—10（f）可知，隨著流量增大，有一個先減小后增大的趨勢，且在小流量工況下，底部產(chǎn)生紊動能最大值。由圖10（g）—10（i）可知，在底坡較小工況下，紊動能較大值主要分布在交界帶和兩側(cè)邊壁區(qū)域內(nèi);但隨著底坡增大，堰后兩側(cè)沖擊區(qū)紊動能整體增大。結(jié)合圖6可知，底坡增大導(dǎo)致底部流速增大，促進了紊動能產(chǎn)生和擴散。

2.4?渦旋

研究堰后渦結(jié)構(gòu)，有助于理解底部附近能量消耗和傳遞過程，更好判別堰后沖刷區(qū)域位置。Q準則［21］是一種比較常用的渦旋捕捉方法，正值表示為流場渦張量超過應(yīng)變率張量的區(qū)域，Q值越大，此處的流體旋轉(zhuǎn)速度越大，渦量（即渦旋強度）也就越大，因此本文采用Q準則對二維渦旋進行識別分析。王芳芳［22］通過分析流體的能量耗散與渦量之間的關(guān)系，指出不可壓縮流體中動能耗散率與流體中渦量絕對值的大小直接相關(guān)，單位體積內(nèi)渦量絕對值越大，動能耗散率越高。

圖11為Q準則方法下識別出的底部渦旋結(jié)構(gòu)分布圖。由圖11可知，強渦區(qū)（渦旋強度值相對較大區(qū)域）主要集中在排淤量水槽出口兩側(cè)，而其他渦區(qū)分布在兩側(cè)堰腳，其中小尺度渦結(jié)構(gòu)散落在交界帶附近。當水流以較大速度流出量水槽時，受到邊界突擴和兩側(cè)堰頂沖擊水流的干擾，在排淤量水槽兩側(cè)不斷產(chǎn)生較大尺度的渦結(jié)構(gòu);同樣堰頂流出水流受到底部和兩側(cè)邊壁限制，也會不斷產(chǎn)生較大尺度的渦結(jié)構(gòu)。大尺度渦受到外界和渦體內(nèi)部之間的拉伸作用，會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生不同大小的小尺度渦體，向下游傳遞。結(jié)合圖10可知，具有較大能量的大尺度渦體，通過能量串級的方式將自身能量傳遞到小尺度渦體中，這種自身破解傳遞方式會將能量傳遞到末級渦體中。當最小尺度渦體的能量不足以克服自身的黏性作用時，機械能就會轉(zhuǎn)化成熱能消耗掉，這也充分說明了堰槽組合具有一定的消能作用。由圖11（a）—11（c）可知，隨著臂坡增大，排淤量水槽流出的水流流速增大，加劇了與兩側(cè)水流之間碰撞和摻混，因此導(dǎo)致出口兩側(cè)的Q值增大，產(chǎn)生更大的渦體。由圖11（d）—11（f）可知，最大Q值出現(xiàn)在較小流量工況下，這說明在較小流量下，河床底部的水流之間碰撞和摻混程度更高，隨著流量增大，這種碰撞和摻混過程可能轉(zhuǎn)移到其他部位，所以在大流量下底部Q值有所減小。由圖11（g）—11（i）可知，隨著底坡增大，排淤量水槽出口兩側(cè)Q值增大，且渦體數(shù)量也增多。結(jié)合圖6可知，因為底坡增大，導(dǎo)致下游流速增大，增強了出口水流與兩側(cè)水體的摻混，并將破裂產(chǎn)生的小尺度渦體迅速擴散到下游。

2.5?床面剪切應(yīng)力

在河流的研究中，床面剪切應(yīng)力是連接水流特征和動床沖刷的一個重要參數(shù)，一定程度可以預(yù)測動床沖刷規(guī)律。當河床底部附近擾動波或時間序列結(jié)構(gòu)以及水流內(nèi)部所產(chǎn)生的床面切應(yīng)力大于Shields剪切應(yīng)力后，床面就會產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)。但在堰后沖刷水流結(jié)構(gòu)中，由于水流條件復(fù)雜，床面切應(yīng)力變化與水流流速以及紊動參數(shù)變化是相互作用關(guān)系，所以無法直接準確獲得床面切應(yīng)力值。因此，前人們提出了常見6種床面切應(yīng)力的計算方法：平均切應(yīng)力法、對數(shù)率估測法、流速二次法、雷諾應(yīng)力法、紊動能法和修正紊動能法?；谟嬎惴椒ǖ倪m用條件，本文采用了雷諾應(yīng)力法和修正紊動能法［23］進行了對比。

2.5.1?雷諾應(yīng)力法

雷諾切應(yīng)力是由紊流液體質(zhì)點相互混摻而引起的附加切應(yīng)力。圖12為采用雷諾應(yīng)力法計算得到的區(qū)域Ⅲ床面剪切應(yīng)力1（τb1）分布。由圖12可知，床面剪切應(yīng)力1較大值主要集中在交界帶上，而床面剪切應(yīng)力1極小值主要出現(xiàn)在中軸射流區(qū)內(nèi)。結(jié)合圖6可知，中軸射流區(qū)水流帶動兩側(cè)水流流速增大，導(dǎo)致在交界帶上形成很大的速度梯度，這就說明了為什么床面剪切應(yīng)力1最大值主要集中在交界帶上。由圖12（a）—圖12（c）可知，隨著臂坡增大，交界帶上的床面剪切應(yīng)力1值逐漸增大且較大值分布面積也逐漸增大。由圖12（d）—圖12（f）可知，在小流量時，在交界帶上沒有出現(xiàn)明顯極大值聚集帶，隨著流量增大，交界帶上的床面剪切應(yīng)力1逐漸增大且極大值出現(xiàn)在交界帶首部。由圖12（g）—圖12（i）可知，隨著底坡增大，床面剪切應(yīng)力1逐漸增大，交界帶長度加長且極大值點從首部轉(zhuǎn)移到中部。

2.5.2?修正紊動能法

修正紊動能法是一種只基于垂向脈動流計算床面剪切應(yīng)力2（τb2）的方法。圖13為修正紊動能法計算得到的堰后床面剪切應(yīng)力2分布。對比發(fā)現(xiàn)，床面剪切應(yīng)力2較大值主要分布在兩側(cè)堰下區(qū)域，而不只是在交界帶上。由圖13（a）—圖13（c）可知，隨著臂坡增大，兩側(cè)床面剪切應(yīng)力2增大，較大值分布面積也逐漸增大。由圖13（d）—圖13（f）可知，在較小流量下，出現(xiàn)床面剪切應(yīng)力2較大值聚集點，分布在距離堰槽組合堰后，隨著流量增大，這些聚集點消失，在交界帶和兩側(cè)區(qū)域形成聚集區(qū)。由圖13（g）—圖13（i）可知，底坡增大，兩側(cè)床面剪切應(yīng)力2增大，較大值分布轉(zhuǎn)移擴散到兩側(cè)中心區(qū)域，底坡變化對床面剪切應(yīng)力分布影響顯著。

通過2種床面剪切應(yīng)力算法對比，可以發(fā)現(xiàn)雷諾應(yīng)力法計算得到的床面剪切應(yīng)力1明顯大于修正紊動能法計算得到床面剪切應(yīng)力2，這是由于垂向脈動流速值遠小于縱向脈動流速值導(dǎo)致而成。同時2種方法得到的床面剪切應(yīng)力分布規(guī)律也不一致，床面剪切應(yīng)力1主要分布在交界帶上，以條形帶分布為主；而床面剪切應(yīng)力2主要分布在兩側(cè)堰下區(qū)域，以連片塊狀分布為主。結(jié)合實際工程運行情況，相比中軸附壁射流的沖刷，兩側(cè)堰下的跌水沖刷更具有破壞力，此時切應(yīng)力使用垂向脈動分量表示更為準確［22］。因此，采用修正紊動能法計算堰后床面剪切應(yīng)力更為合適。

3?結(jié)?論

本文針對不同臂坡的堰槽組合量水設(shè)施開展了一系列試驗，研究了臂坡、水流強度、底坡等因素對堰槽組合設(shè)施后的底層水流結(jié)構(gòu)和紊動特性的影響，主要結(jié)論如下：

（1）?根據(jù)射流形式，將堰槽組合設(shè)施后的淹沒出流劃分成附壁射流區(qū)域和堰后的沖擊射流區(qū)域，其中沖擊射流區(qū)域易發(fā)生溯源沖刷破壞。

（2） 臂坡增大導(dǎo)致量水槽出口射流流速增大，表現(xiàn)為水流上揚;而兩側(cè)堰下產(chǎn)生明顯回流，表現(xiàn)為水流下切。

（3） 臂坡和底坡增大均導(dǎo)致底部兩側(cè)紊動強度、床面剪切應(yīng)力、紊動能值增大，加劇了兩側(cè)堰下水流的能量耗散及堰后沖刷，有效提高了設(shè)施的消能率。

（4） 相比雷諾應(yīng)力法，設(shè)施后床面剪切應(yīng)力計算更適合采用修正紊動能法，且床面剪切應(yīng)力較大值主要集中在兩側(cè)堰后沖擊區(qū)域。

（5）?強渦區(qū)主要出現(xiàn)在排淤量水槽出口兩側(cè)，而其他渦區(qū)分布在兩側(cè)堰后區(qū)域，其中小尺度渦結(jié)構(gòu)散落在交界帶附近。

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Abstract：The weir-flume combination facility is advantageous for flow monitoring in mountainous areas.The sediment distribution behind the weir and the downstream erosion can be affected by arm slope owing to the changes in the hydrodynamic characteristics of the weir-flume combination facility.To further explore the influence of arm slope on the flow turbulence characteristics of the weir-flume combination facility，the bottom flow characteristics under different flow rates，bottom slope，and arm slope were analyzed based on the hydraulic performance test.The distribution law of velocity，turbulence kinetic energy，and bed surface shear stress were obtained，and the mechanism of flow energy dissipation and erosion was revealed during the operation.The research results show that the arm slope affects the lateral flow distribution.The increase in arm slope causes the water flow to be concentrated in the middle，and the flow behind the weirs on both sides is strengthened，which increases the risk of retrogressive scour.Compared with the Reynolds shear stress method，the modified turbulent kinetic energy method is more suitable for calculating the bed surface shear stress behind the facility.The larger values of the bed surface shear stress are mainly concentrated in the area behind the weir on both sides.Large-scale vortex structures are mainly focused on both sides of the flume outlet，while other vortex areas are distributed in the area behind the weir on both sides.The increase in the arm slope and bottom slope leads to an increase in turbulent intensity and turbulent energy on both sides behind the weir，which intensifies the energy dissipation of the water flow under the weir and effectively improves the energy dissipation rate of the facility.

Key words：weir-flume combination;arm slope;retrogressive scour;flow measurement;turbulent fluctuation;eddy