水动力特征试验研究范文

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《水利水运工程学报》2014年第三期

1模型设计及试验方法

新沟河延伸拓浚工程是太湖流域防洪规划确定的必要新增工程措施，新沟河三山港—武进港在常州戚墅堰区与京杭运河平交。本次模型试验［10］的模拟范围包括:①京杭运河:运河平交口门处及其上下游总计约1km范围;②武进港连接段:运河平交口门处往南350m左右的范围;③三山港连接段:运河平交口门处往北350m左右的范围。具体平面布置如图1所示。为准确反映新沟河三山港—武进港与运河平交口门附近复杂水流特征，采用大比尺的正态模型，根据如下定床河工模型相似理论，确定模型各项比尺［10］:水平比尺λl与垂直比尺λh均为50，流速比尺λv=7．07，流量比尺λQ=17678，糙率比尺λn=1．92。模型总长约20m，宽约15m。试验过程中，采用先进的二维电磁流速仪对流速进行测量，该流速仪可准确量测纵、横两个方向的沿水深平均流速分量，测量位置为距河底0．6h(h为水深)处。口门区99个流速测量点布置如图1所示。平交口门区水流特征的试验工况中，口门处水位3．5m，来流量为:武进港向运河排水60m3/s，三山港从运河分泄流量80m3/s，运河西侧来水量为184m3/s，往东侧方向流量为164m3/s。模型水深一般为5～12cm，雷诺数约为9600，弗劳德数约为0．11。

2口门区水流特征

2．1平交口门处流态三山港—武进港与京杭运河平交口门处流态如图2所示。武进港—三山港水流对京杭运河形成横向流。受三山港吸流的影响，京杭运河来流流至三山港口门时水流明显左偏并进入三山港，出现一定范围的横流区。受武进港出流的顶托作用，位于武进港出口上游的运河右侧出现较大范围的缓流区(回流区)。

2．2流速分布特征依据流速、流向测量结果，绘制出平交口门处流场流线分布(见图3(a))。此外，两侧武进港、三山港水流对京杭运河形成横向流，而京杭运河具有通航功能，因此，掌握其横流分布特征极为重要，口门区京杭运河横流流速分布特征如图3(b)所示。由图3可见，口门区流速一般约0．50～0．80m/s，受三山港吸流的影响，京杭运河来流流至三山港口门时水流明显左偏并进入三山港，出现一定范围的横流区，且存在超过0．30m/s的强横流区，其距运河中心线的距离约26m(图3(b))，最大横流值为0．39m/s。受武进港出流的顶托作用，位于武进港出口上游的运河右侧也出现较大范围的缓流区(回流区)，其流速值一般在0．10m/s以内;武进港出口及靠下游侧受出流的影响，运河右侧同样出现横流区，超过0．30m/s的强横流区距运河中心线的距离约24m(图3(b))，最大横流值为0．37m/s。

2．3不同河道边界条件下口门区水流特征的变化规律河道边界对口门区水动力特征有着明显影响，通过试验研究探讨不同边界条件下口门区水流特征的变化规律，重点是京杭运河横流分布的变化特征。试验过程中，共设置2种河道边界条件(见图4)。边界条件的区别主要在武进港口门区:边界一是武进港口门西侧(即京杭运河上游侧)口门边界扩大，如图4(a)所示;边界二是武进港口门东侧(即京杭运河下游侧)口门边界扩大，如图4(b)所示。2种不同口门扩大边界条件下，三山港—武进港与京杭运河平交口门处流场流线分布如图5所示。由图可见，2种边界条件下口门区主流流速值基本一致，数值在0．50～0．80m/s;边界条件一时，位于缓流区(回流区)的武进港口门西侧边界扩大，武进港出流的有效过流面积并未增大，此时，该区的回流区范围有所增大(图5(a));边界条件二时，流速较大的武进港口门东侧边界扩大，其出流的有效过流面积增大，此时，武进港出流流速减小，其对上游的顶托作用减弱，因此上游侧的回流区范围有所减小(图5(b))。2种不同口门扩大边界条件下，三山港—武进港与京杭运河平交口门横流流速分布特征如图6所示。由图可见，因受三山港吸流的影响，京杭运河来流流至三山港口门时水流明显左偏并进入三山港，仍存在一定范围的横流区，但超过0．30m/s的强横流区范围较边界未扩大前(图3(b))均明显减小，且基本位于京杭运河边，其距运河中心线的距离约40m，最大横流值约0．32m/s。武进港出口及靠下游侧受出流的影响，运河右侧同样出现横流区，2种边界条件下超过0．30m/s的强横流区范围较边界未扩大前(图3(b))均有所减小;边界条件一时，其距运河中心线的距离在28m左右(图6(a))，最大横流值在0．33m/s左右;边界条件二时，横流减小效果较边界条件一时显著，超过0．30m/s的强横流区范围基本位于京杭运河边，其距运河中心线的距离在30m左右(图6(b))。由不同边界条件下口门区水动力特征试验结果可看出，口门区河道边界扩大后，与边界未扩大前相比，京杭运河强横流(大于0．30m/s)范围均有所减小。边界条件一时，武进港口门西侧扩大区基本位于缓流区(回流区)，因此武进港口门区的强横流范围虽有所减小，但效果并不明显;边界条件二时，在流速相对较大、横流相对较强的口门东侧(下游侧)实施口门边界扩大，此时，口门区强横流范围的减小效果明显。由此可见，流速较大一侧边界条件的改变，对水动力特征的影响明显。

3结语

以新沟河三山港—武进港与京杭运河平交口门区为例，对其水动力特征进行了试验研究，并探讨了不同边界条件下的水流特征变化规律。研究结果表明:(1)受三山港吸流影响，京杭运河来流流至三山港口门时水流明显左偏并进入三山港，出现一定范围的横流区;受武进港出流顶托作用，位于武进港出口上游的运河右侧出现较大范围回流区，其范围随着武进港出流流速的减小而减小。(2)河道边界对口门区水动力特征存在明显影响，流速较大一侧边界条件的改变，对水动力特征的影响最明显。在类似平交口门区，需改变流速分布时，可优先考虑调整流速较大侧边界。

作者：陆银军假冬冬万乾山张幸农单位：江苏省水利勘测设计研究院有限公司南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室