水動力特征試驗研究范文

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《水利水運工程學報》2014年第三期

1模型設計及試驗方法

新溝河延伸拓浚工程是太湖流域防洪規劃確定的必要新增工程措施，新溝河三山港—武進港在常州戚墅堰區與京杭運河平交。本次模型試驗［10］的模擬范圍包括:①京杭運河:運河平交口門處及其上下游總計約1km范圍;②武進港連接段:運河平交口門處往南350m左右的范圍;③三山港連接段:運河平交口門處往北350m左右的范圍。具體平面布置如圖1所示。為準確反映新溝河三山港—武進港與運河平交口門附近復雜水流特征，采用大比尺的正態模型，根據如下定床河工模型相似理論，確定模型各項比尺［10］:水平比尺λl與垂直比尺λh均為50，流速比尺λv=7．07，流量比尺λQ=17678，糙率比尺λn=1．92。模型總長約20m，寬約15m。試驗過程中，采用先進的二維電磁流速儀對流速進行測量，該流速儀可準確量測縱、橫兩個方向的沿水深平均流速分量，測量位置為距河底0．6h(h為水深)處。口門區99個流速測量點布置如圖1所示。平交口門區水流特征的試驗工況中，口門處水位3．5m，來流量為:武進港向運河排水60m3/s，三山港從運河分泄流量80m3/s，運河西側來水量為184m3/s，往東側方向流量為164m3/s。模型水深一般為5～12cm，雷諾數約為9600，弗勞德數約為0．11。

2口門區水流特征

2．1平交口門處流態三山港—武進港與京杭運河平交口門處流態如圖2所示。武進港—三山港水流對京杭運河形成橫向流。受三山港吸流的影響，京杭運河來流流至三山港口門時水流明顯左偏并進入三山港，出現一定范圍的橫流區。受武進港出流的頂托作用，位于武進港出口上游的運河右側出現較大范圍的緩流區(回流區)。

2．2流速分布特征依據流速、流向測量結果，繪制出平交口門處流場流線分布(見圖3(a))。此外，兩側武進港、三山港水流對京杭運河形成橫向流，而京杭運河具有通航功能，因此，掌握其橫流分布特征極為重要，口門區京杭運河橫流流速分布特征如圖3(b)所示。由圖3可見，口門區流速一般約0．50～0．80m/s，受三山港吸流的影響，京杭運河來流流至三山港口門時水流明顯左偏并進入三山港，出現一定范圍的橫流區，且存在超過0．30m/s的強橫流區，其距運河中心線的距離約26m(圖3(b))，最大橫流值為0．39m/s。受武進港出流的頂托作用，位于武進港出口上游的運河右側也出現較大范圍的緩流區(回流區)，其流速值一般在0．10m/s以內;武進港出口及靠下游側受出流的影響，運河右側同樣出現橫流區，超過0．30m/s的強橫流區距運河中心線的距離約24m(圖3(b))，最大橫流值為0．37m/s。

2．3不同河道邊界條件下口門區水流特征的變化規律河道邊界對口門區水動力特征有著明顯影響，通過試驗研究探討不同邊界條件下口門區水流特征的變化規律，重點是京杭運河橫流分布的變化特征。試驗過程中，共設置2種河道邊界條件(見圖4)。邊界條件的區別主要在武進港口門區:邊界一是武進港口門西側(即京杭運河上游側)口門邊界擴大，如圖4(a)所示;邊界二是武進港口門東側(即京杭運河下游側)口門邊界擴大，如圖4(b)所示。2種不同口門擴大邊界條件下，三山港—武進港與京杭運河平交口門處流場流線分布如圖5所示。由圖可見，2種邊界條件下口門區主流流速值基本一致，數值在0．50～0．80m/s;邊界條件一時，位于緩流區(回流區)的武進港口門西側邊界擴大，武進港出流的有效過流面積并未增大，此時，該區的回流區范圍有所增大(圖5(a));邊界條件二時，流速較大的武進港口門東側邊界擴大，其出流的有效過流面積增大，此時，武進港出流流速減小，其對上游的頂托作用減弱，因此上游側的回流區范圍有所減小(圖5(b))。2種不同口門擴大邊界條件下，三山港—武進港與京杭運河平交口門橫流流速分布特征如圖6所示。由圖可見，因受三山港吸流的影響，京杭運河來流流至三山港口門時水流明顯左偏并進入三山港，仍存在一定范圍的橫流區，但超過0．30m/s的強橫流區范圍較邊界未擴大前(圖3(b))均明顯減小，且基本位于京杭運河邊，其距運河中心線的距離約40m，最大橫流值約0．32m/s。武進港出口及靠下游側受出流的影響，運河右側同樣出現橫流區，2種邊界條件下超過0．30m/s的強橫流區范圍較邊界未擴大前(圖3(b))均有所減小;邊界條件一時，其距運河中心線的距離在28m左右(圖6(a))，最大橫流值在0．33m/s左右;邊界條件二時，橫流減小效果較邊界條件一時顯著，超過0．30m/s的強橫流區范圍基本位于京杭運河邊，其距運河中心線的距離在30m左右(圖6(b))。由不同邊界條件下口門區水動力特征試驗結果可看出，口門區河道邊界擴大后，與邊界未擴大前相比，京杭運河強橫流(大于0．30m/s)范圍均有所減小。邊界條件一時，武進港口門西側擴大區基本位于緩流區(回流區)，因此武進港口門區的強橫流范圍雖有所減小，但效果并不明顯;邊界條件二時，在流速相對較大、橫流相對較強的口門東側(下游側)實施口門邊界擴大，此時，口門區強橫流范圍的減小效果明顯。由此可見，流速較大一側邊界條件的改變，對水動力特征的影響明顯。

3結語

以新溝河三山港—武進港與京杭運河平交口門區為例，對其水動力特征進行了試驗研究，并探討了不同邊界條件下的水流特征變化規律。研究結果表明:(1)受三山港吸流影響，京杭運河來流流至三山港口門時水流明顯左偏并進入三山港，出現一定范圍的橫流區;受武進港出流頂托作用，位于武進港出口上游的運河右側出現較大范圍回流區，其范圍隨著武進港出流流速的減小而減小。(2)河道邊界對口門區水動力特征存在明顯影響，流速較大一側邊界條件的改變，對水動力特征的影響最明顯。在類似平交口門區，需改變流速分布時，可優先考慮調整流速較大側邊界。

作者：陸銀軍假冬冬萬乾山張幸農單位：江蘇省水利勘測設計研究院有限公司南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室