导流板长度与放置角度对导流效果的影响分析

第２期（总第１９６期）　文章编号：１００６—８１３９（２０１５）０２—０７９—０４　山西水利科技　７９　导流板长度与放置角度对导流效果的影响分析　狄帆　（山西省水利水电科学研究院山西太原０３０００２）　摘要：文中选用汾河中游的河道参数，通过数值模拟计算分析了导流板长度和倾斜角度对导流　效果的影响。研究结果表明：导流板可以改变水流的流向。导流板长度越大，水流受到的扰动越大；倾　斜放置的导流板对水流的改变较缓，水流对导流板的冲力也较小，有利于导流板的稳定。　关键词：活动式导流板；长度；放置角度；汾河　中图分类号：ＴＶ５５ｌ　文献标识码：Ｂ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｌｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ　Ａｎｇｌｅ　ｏｆ　Ｍｏｖａｂｌｅ　Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　Ｖａｎｅｓ　ｏｎ　Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　Ｅｆｆｅｃｔ　ＤＩ　Ｆａｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｎｇｌｅ　ｏｎ　ｍｏｖａｂｌｅ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｖａｎｅｓ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｍｉｄｓｔｒｅａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｅｎｈｅ　Ｒｉｖｅｒ．Ｉｔ　ｗａｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖａｎｅｓ　ｃａｎ　ｃｈａｎｇｅ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ，ｔｈｅ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｔｈｅ　ｖａｎｅ　ｌｅｎｇｔｈ，ｔｈｅ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｂｅｉｎｇ　ｄｉｓｔｕｒｂｅｄ；ｔｉｌｔｅｄ　ｖａｎｅｓ　ｍｏｄｅｒａｔｅ　ｃｈａｎｇｅｄ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｆｌｏｗ，ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ，ｔｈｅ　ｍｏｍｅｎｔｕｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｖａｎｅ　ｗａｓ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｓｍａｌｌ，ａｎｄ　ｉｔ　ｗａｓ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｎｅｓ．　ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｖａｂｌｅ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｖａｎｅｓ；ｌｅｎｇｔｈ；ｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｎｇｌｅ；ｔｈｅ　Ｆｅｎｈｅ　Ｒｉｖｅｒ　０引言　导流板是一种垂直安装在河床上，与水流成一定　角度的小型导流建筑物，可以改善弯道水流结构从而　１基本方程　河道弯道水流是横向运动与纵向运动结合的螺　旋流。这种水流作用下形成的凹岸坍塌后退、凸岸边　在一定程度上解决弯道冲刷淤积的问题。国内外许多　学者在此领域做了大量的研究工作［１＿５１。它可以临时　改变局部不利河势，防止畸形河湾的形成，在工程除　险防护等方面也有应用。活动式导流板更是因其安　全、快捷、环保、可重复使用等优点具有良好的应用　前景。　滩淤长延伸现象需要采取一定措施进行改善。河流河　道采用的导流板形状依平面的实际情况，结合横截面　积和水深确定。这些几何上的变化需要在方程中作处　理。为了适应汾河中段河道的不规则形状，本文中采　用曲线坐标系生成网格和方程处理嘲。　（１）２一Ｄ流函数方程　本文在黄河上活动式导流装置布置方式与导流　效果的研究基础上［６１，针对汾河中下游的实际水流状　簧＋簧　＋　＋Ｑ＝０（１．１）　ｄＳ１＝Ｈｌｄｑｌ＝Ｈｌｄ￣，ｄＳ２＝Ｈ２ｄｑ２＝　叼。　ａｌ＝　∞ｌ　况，采用数值模拟的方法对导流板的尺寸、放置角度　进行研究，通过对比结果得出最佳布置方式。为活动　式导流装置在汾河中的应用提供技术支持。　ｌｎ日２，　＝　ｄＯ２　ｌ　１。　Ｌａｍｉ系数日　，日：按下式计算：　收稿日期：２０１５—０１—０９　修回日期：２０１５—０２—１７　作者简介：狄帆（１９８６一），女，助理工程师，２０１３年中国科学院生态环境研究中心环境工程专业硕士毕业。　８Ｏ　狄帆：导流板长度与放置角度对导流效果的影响分析　２０１５年５月　Ｈ１＝、／　＋），　，Ｈ２＝、／　；＋），；　而ｘ￣＝Ａｘ／Ａｔｊ，　＝△　△　，　＝Ａｘ／Ａ．，ｙ．＝Ａｙ／Ａ　（２）２一Ｄ涡量方程　ａ　ａ　ａ　器＋＋器＋面ｃｔｌ　酉＋＋　）　面　　（Ｌ　１．・２　）　２不同长度导流板对水流的影响分析　１）计算结果分析　导流板布置方案：流量（ｐ　）为３９　ｍ３／ｓ，导流板长　度（化）分别为３　ｍ，５　ｍ，８　ｍ，１０　ｍ。宽度（　）为０．５　ｉｎ，　河段长度（ＬＬ）为１００　ｍ，河段宽度（ＢＢ）为２５　ｍ，平均　水深（日　）为１．５　ｍ，导流板上游长度为２０　ｍ。导流板　均采用垂直河道（９０。）的放置方式。　河道中的水流流态随导流板长度变化会发生相　应的变化。模拟计算结果如图１、图２、图３、图４所示。　，ｆ蜷割删　－　…　Ｎ＝１　■　，Ｏ．）ｏ　…一　墨　剖　．　Ｊ．，　删　Ｄ／．石Ｕ　．・　，．ｊｊ　．　Ｊ．　。　一　１Ｏ．ｊ　－　‘。。　。。　—。＿‘　。。－。，　Ｈ　～　一＾‘　：　一　１ｕ・ｙ　－ｌ　Ｉ　　ｌｋ　Ｉ…ｔ　ｔ　Ｉ　ｌ　Ｉ　ｌ　Ｉ　Ｉ　ｌ　Ｉ．Ｉ　ｌ　Ｉ　５０　ｌ００　１５０　２００　位置坐标Ｉ／ｍ　图１　３ｍ导流板平面流场流线图　差　剖　删　趟　图２　５ｍ导流板平面流场流线图　图３　８ｍ导流板平面流场流线图　墨　剖　位置坐标Ｉ／ｍ　图４　１０ｍ导流板平面流场流线图　由导流板平面流场流线图可以看出：导流板在束　窄河道水流的同时，也使导流板板头处流向改变，流　速加大。随着导流板长度的增加，河道中水流的流势　变化也逐渐增大。　另外，随着导流板长度的增加，导流板头处的涡　量也逐渐增加。水流绕过导流板头时，分离点以下形　成旋转角速度较大的小范围漩涡，并且随着水流不断　向下游移动，漩涡区范围逐渐扩大，强度逐渐减小。　图５、图６、图７、图８为导流板平面流速矢量图。　从平面流速矢量图可以看出：河道中放置导流板　后，板后出现明显的回流，而且导流板越长，挑流越明　显，恢复原状需要的距离越长。　图中还显示出水流方向和流速大小的变化过程。　放入河道中的导流板影响了板前和板后流速的分布，　改变了水流的方向，将水流逼向中央。在板头附近，水　流流速增大，导流板承受了水流的冲力；在导流板后，　流速大幅降低，起到了保护堤岸和河床的导流与护岸　作用。　８２　狄帆：导流板长度与放置角度对导流效果的影响分析　２０１５年５月　哪／ｆ　刮删　：　…．　Ｎ＝Ｉ　．＿　ＴＬ＝８ｍ　Ｗ＝３０一　殳　０　２０　３０　４Ｏ　５Ｏ　６０　７Ｏ　８０　位置坐标Ｉ／ｍ　图９纵横比为２：１的导流板平面流场流线图　＝１　Ⅲ／　蠖刮删　．　６１．　Ｚ　……　一　，ｆ，＾　Ｗ＝６０　舳　∞　∞　加　，Ｕ・，Ｕ　－　ｆｃ　１　ｏ　墨　剖　删　逍　。———————～１　０‘　一——，—～ｎ　１　—：　７０　一　：．．．．　．。　．．．．．．．．　５０　１００　１５０　２００　位置坐标Ｉ／ｍ　图１１纵横比为１：２的导流板平面流场流线图　置角度的导流板对水流所产生的不同影响，表２为计　算结果。　表２不同倾斜角度的导流板对流速的影响　倾斜　板前最大流速及位置　板后最小流速及位置　影响　角度　范围　●　Ｕ　ｌ　Ｊ　Ｕ　ｌ　Ｊ　３０。　１．４８５　５０　９　０．０８０　５５　２　４　ｍ　４５。　１．５８７　５８　ｌ６　０．０５５　６６　２　６　ｍ　６０。　１．５５０　６１　２０　０．０４０　６６　２　５．５　ｍ　９０。　１．９３１　４１　ｌ８　Ｏ．　６５　１０　２４　ｍ　由表２可以看出，当导流板垂直放置时，板前流　速的增大幅度最大，导流效果好，但导流板受到水流　冲力也最大，影响导流板的稳定。当导流板倾斜角度　为３０～４５。时，板前流速逐渐增大，板后流速减小，能够　在板后形成淤积，而且影响范围不大。　２０　４０　６Ｏ　８０　１００　１２Ｏ　位置坐标ｌ／ｍ　图１０纵横比为１：１的导流板平面流场流线图　Ⅲ／　刮删　图１２垂直放置的导流板平面流场流线图　４结论　本文采用汾河中游的河道参数，对不同长度、不　同倾斜角度的导流板进行多方案的数值模拟。　通过比较导流板前流速的增大幅度、板后流速的　减小幅度以及相应的影响范围分析了导流板对水流　流态的影响从而确定导流效果的好坏。根据数值结果　可以得出以下结论：　（１）河道中放置导流板后，导流板能够改变水流　的流向，流速最大值出现在导流板头部。随着导流板　长度的增加，水流受到的扰动增大；导流板后会出现　回流区及漩涡区，而且随导流板长度的增加，漩涡区　范围也逐渐增大。　（２）倾斜布置的导流板与垂直布置的导流板相　比，对水流的影响较小。相应地，水流对导流板的冲力　也较小，有利于导流板的稳定。　（下转第９６页）　９６　胡绞脐：东山供水工程９—３支洞及该段９＃隧洞对暧水头村泉水影响分析　２０１５年５月　着降水量的增多逐渐回升；地下水位升高、泉水流量　增大的情况一般出现在当年９月份至次年４月以前。　点处的地下水位高程由１　１　１５　ｍ降至洞底高程１　０１５　ｍ，该　处地下水位下降了约１００　ｍ，暧水头村泉水出露高程　约１　０５９　ｍ，二者相对高差约４４　ｍ，９—３支洞及该段　９＃隧洞施工排水后，二者之间的水文地质条件发生了　３对暧水头村泉水影响分析评价　３．１泉水成因分析　泉水出露处冲沟底部有一层紫红色泥岩为其相　对隔水层，上部的砂岩为其含水层，该冲沟将上部的　砂岩含水层侵蚀切割后，泉水从砂岩裂隙含水层中流　本质的变化，地下水倒过来由暖水头村泉水向９—３支　洞处径流排泄。　９＃隧洞与暧水头村泉水之间无较厚的泥岩类相　对隔水层，岩层产状较为平缓，洞身段围岩与泉水属　出形成泉水，属侵蚀下降泉，俗称“空山水”。　同一砂岩含水层，具有一定的水力联系，因此，９—３支　洞及其控制的９＃隧洞段施工开挖过程中对暖水头村　泉水会产生一定的影响，主要影响是隧洞周边地下水　３．２对泉水影响分析评价　９—３支洞与主洞交叉点至暧水头村泉水文地质　剖面见图１，泉水出露点距９—３支洞与主洞交叉点的　直线距离约２　３５０　ｍ，隧洞洞底高程１　０１５　ｍ，泉水出　露高程约ｌ　０５９　ｍ，９—３支洞与主洞交叉点处施工前　初始地下水位高程１　１　１５　ｍ（根据支洞开挖过程中揭　露的地下水位）。　位将下降（但不会低于洞底高程１　０１５　ｍ），地下水位　漏斗逐渐扩大，暧水头村泉水出水量也会有一定程度　的减小，甚至造成泉水干枯。　据暧水头村村民反映，９—３支洞开工排水达一年　后，暖水头村泉水流量明显逐渐变小，有断流的迹象，　已影响到当地村民的人畜饮水。　目前，９—３支洞已与主洞贯通，今后主洞开挖过　ｌ１６０　１１６０　器一１０８０　ｌ０００　Ｕ　５００　ｌ　Ｕ【ＪＵ　ｌ５ＬＪ（Ｊ　２ｏ【砌　２５００　—程中仍存在隧洞施工抽排水问题，随着隧洞开挖长度　的增加，其排水量会逐渐增大，对暖水头村泉水的影　１０８０蟊　恒　响将更大。　１ｏ０Ｏ　建议管理单位安排专人定期对暖水头泉流量进　行观测；对隧洞渗水、涌水部位尽量采取有效的封堵　措施，以减小对暖水头村泉水的影响。现状条件下，暧　水头村泉水还没有完全断流，需进行长期观测，分析　水平距离／ｍ　图ｌ　９—３支洞与主洞交叉点至暧水头村泉水文地质剖面图　据图ｌ水文地质剖面，９—３支洞及主洞未施工前，　９＿３支洞与主洞交叉点处的地下水位高程约为ｌ１　１５　ｍ，　暧水头村泉水出露高程约１　０５９　ｍ，二者相对高差约　５１　ｍ，地下水由９—３支洞处向暖水头村泉径流排泄。　９—３支洞及主洞施工排水后，９—３支洞与主洞交叉　．　工程施工期间的泉水流量变化情况，若暧水头村泉水　在９—３支洞、９＃隧洞段开挖期间出现断流的情况，影　响到暖水头村民人畜饮水时，应对暧水头村采取适当　的补偿或采取其他补救措施。　屯　．与　．Ｓ屯．　Ｌ．　．　Ｌ　，Ｉ．　Ｌ．　止．　屯．Ｓ　．　Ｌ　．善　．　．　ＪＩ　Ｓ　（上接第８２页）　参考文献：　【１】Ｏｄｇａａｒｄ，Ａ．Ｊ．，Ｓｐｏｌｊａｒｉｃ　Ａ．Ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｂｙ　ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ　［４］刁明军，杨海波，李斌华等．弯道水力学研究现状与进展［ＪＪ．　西南民族大学学报（自然科学版），２００７，３３（３）：５９６—６０１　【５】杨玲霞，张银华，吴建平等．改善弯道急流流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