U型渠道挟沙水流流速分布规律研究.docx

1、DOI： 10. 3969/j. issn. 1672-2469. 2016. 10. 014U型渠道挟沙水流流速分布规律研究王志国（凌源市凌河保护区管理局，辽宁 朝阳122500）摘要：研究U型渠道中的挟沙水流流速分布规律对于提高北方农田的灌溉效率具有重要意义。本文通过室内试 验，探索U型渠道挟沙水流流速的分布规律。首先对U型渠道挟沙水流流区的基本划分进行了阐述，然后从参 线流速分布和横向流速分布等两个方面重点分析了含沙量变化对流速分布产生的影响。关键词：U型渠道；挟沙水流；流速分布；规律研究中图分类号：TV131文献标识码：B文章编号：1672-2469（2016）10-0043-03在我

2、国，大约有1500多条河流的流域面积超 过1000km2lo水资源在时间和空间上的分布都不 均匀，而且还会携带大量泥沙，北方的河流表现尤 其突出，其中最著名的就是黄河R3）。如何充分利 用这些携带大量泥沙河流的浑水资源，是提高水资 源利用率的重要问题。传统的解决方法就是在渠干 道前面建立沉沙池，但是这种方法持续的时间较 短，还会导致泥沙存放的问题。因此，提出了 一种新解决方案，即对渠道系统的浑水进行长距 离的运输，使之安全到达灌溉系统，对泥沙进行 分散处理，其中最有效的就是尽可能多的让浑水 到达渠道的尾部。这种方法会导致渠道的主干、 分支以及斗渠都属于挟沙水泥，在这个过程中怎 样避免泥沙在渠道

3、内大量沉积，同时减少对河道 产生的冲刷，就需要对水流的挟沙能力以及水流 流速分布进行研究。在河流以及渠道等泥沙课题 的研究中，挟沙水流的流速分布一直是重点课题， 目前对数流速分布是学术界普遍认同的流速分布 规律。1挟沙水流流区基本划分U型渠道和普通的明渠存在一定的差异，U 型渠道断面窄深，边壁会对水流产生很大影响， 所以它的最大流速区域位于表面以下，而不是水 流表面。按照从下到上的顺序，可以将U型渠道 的水断面分为底流区、主流区和表面区。所谓表 面区，就是最大水流流速和水面之间的区域。假 设宽度和深度的比值固定，那么水流中的含沙量 会对其最大的流速位置产生较大影响。下面通过 试验进行分析。1.

4、1试验基本资料本次试验资料主要来源于U型渠道水槽试验系 统，采用超声多普勒流速仪采集流速数据，水槽长 宽高分别为20、30和430cm,底坡坡度（i ）为 3.66% ,每立方米的含沙量为l.12500kg。本试 验系统的具体平面示意图如图1：1.蓄水池2.泵池3.泵4.电磁流量计5.阀6.消力池7.U型渠道观测段8.尾门9.尾水池10.回水渠11、12.阀图I试验装置示意图开始试验前，将一定的泥沙倒入蓄水池内， 注入清水将其配置成一定比例的浑水。将浑水注 入泵池，启动水泵，使其进入循环系统。当电磁 流量计的指针接近流量的预计值时关闭蓄水池的 闸门，并对调节阀进行调节，使电磁流量计保持 稳定。

5、经由管道将水流注入消力池，当水面比较 平稳后将水流注入U型渠道观测段。第一观测点 为下游13m处，共设4个观测点，观测点间 隔8m。收稿日期：2015-11-30作者简介：王志国（1977年一），男，本科，工程师。1.2最大流速位置最大流速位置与含沙率的关系如图2所示。 由图2可知，当宽度和深度的比值为常量，当含 沙量由少逐渐变多时，最大的流速点位置会相对 不变；当含沙量超过150kg/m3时，含沙量越大, 则最大流速点的位置越低，即距离表面的距离就 越大。0.70.5 -0.4 -0.3 0.2 -f 0.1 -0 0100200300400500600含沙量/(kgm-3)图2 U型渠道最

6、大流速点位置跟随含沙的变化由此可知，当含沙量小于150kg/m3时，最大 流速点的位置和清水保持一致。这就表示在相同的 渠道中，其宽度和深度的比值是影响最大流速点的 唯一要素。若这一因素不变，则最大流速点位置可 采用如下公式计算：q = 1 一 0. 002( 10 音),(1 W 音 W 10)(1) 式中，。一垂线最大流速点位置距离水槽底部的高 度和水流深度的比值；B一水槽的宽度；一水流 的深度。若含沙量超过150kg/m3,则含沙量和水槽的 宽度和深度比都会对最大流速点的位置产生影响。 当含沙量超过300kg/m3时，水流的流型也会发生 变化，其表面有流核出现，而且流核中的水流会 整体性

7、的向前运动，且运动的速度保持恒定。当 含沙量大于400kg/m3时，流核会扩展到除底流区 之外的整个水流区域，而且水流的最大流速点会维持在-0. 15左右，含沙量不会继续对其产生 影响。2含沙量变化对流速分布的主要影响2.1 垂线流速分布规律对上述试验所得数据进行整理和分析可知，U 型渠道中的挟沙水流的流速分布规律和对数流速分布规律保持一致，其断面的流速和相对位置的对数 保持线性关系，其函数表达如下：y其中的左是指卡门常数，是一个变量，和普 通明渠中的变左模式存在差异。在u型渠道的相 同流区中，人的变化规律会随着含沙量的高低而 有所不同；而且即使含沙量恒定，其变化规律也 会随着流区而变化。当含

8、沙量小于300kg/m3时, U型渠道的3个流区的水流速度都符合对数流速 分布规律，只有人的变化规律存在差异：底流区 的&只大于主流区，此时3个流区的左值具体如 表1所示。当含沙量超过300kg/m3时，表面区 和主流区的水流流速则不再符合对数流速分布 规律。表1含沙* 300kg/m3时3个流区的A值比较含沙量/(kgm3)底流区主流区表面区1. 120. 379170. 335610. 5286622.40.473220.328680. 5197542. 80. 448470.261360.8840766. 70. 459360.239580. 406891000.446490.26136

9、0.694981210. 40590. 276210. 332641450.390060. 284130. 597962260.410850. 40590.35541由此可知，主流区的左值先后和含沙量呈反 比例和正比例关系，表面区虽然也符合对数流速 分布规律，但力值变化并不明显。当含沙量超过 300kg/m3时，水流的含沙量较高，会导致水流出 现变化。泥沙在粘性颗粒的絮凝作用下，会以中 性的悬浮方式运动，水流中的水和泥沙不继续分 选，转变为非牛顿流体，具有伪一相流，其中也 会出现流核，并保持整体移动。其中流核的运动 速度表达如下：7-8:(3)其中的表示流核的速度；77表示悬浮液的粘滞 参数；

10、ym表示悬浮液容重；/表示比降；T。表示 水流剪切力(作用于床面)；rB表示水流宾汉极限剪应力。由于底流区没有流核，所以其水流流速仍然符 合对数流速分布规律，但是在水流流型变化的影响 下，其人值的变化规律也存在差异，具体如图3 _ 6 5 4 3 2 1 0 O.O.O.O.O.O.fc=-0.0003s+0.469100灯 lE05$2.0.0107s+2.4778200300400含沙最（kgnr，）5006004流速横向分布与相对位置的关系图3底流区化值跟随含沙的变化规律由图3可知，底流区&值的整体变化和含沙量 呈反比例关系，与之前的研究结果保持一致。但是 如果其含沙量超过300kg/m

11、3时，k值会发生显著 变化。2.2横向流速分布规律本次试验采用搅拌水池的方法进行，在水池中 放人一定量的泥沙，并对其进行充分搅拌，然后引 入水槽，对观测的数据进行记录。称取不同重量的 沙子，重复上述操作，将y=48min和y=24min的 两个流层对其横向流速的主要分布规律进行研究。资料分析发现，U型渠道中的横向流速与横向 位置保持对应。采用无量纲分析法，二者的函数关 系如下：芝”(针其中：表示第i流层距离边壁/的流速；表示 第i流层中垂线流速；式表示观测点到边壁的距离； 8水槽宽度；论和z为经验系数。为了计算方便，对上述函数表达的两边分别取 对数，具体如下：u.7 rlg = IgA+zlg

12、 曾(5)UiD当含沙量从22. 40kg/m3逐渐增加到374kg/m3 时，y =48 min和* =24min时，两个流层的横向流 速和相对位置如图4所示。由图4可知，U型渠道的横向流速分布符合 指数流速分布规律，各个相关的参数都保持在 0.95左右，而且左值和z值的变化都会受到含沙 量的影响。随着含沙量增大，二维区域的宽度加 宽，当含沙量达到5OOkg/m3时，整个渠道将充满 流核。3结论灌渠泥沙问题一直制约着我国农业的发展，U 型渠道的水力断面较好，具有良好的输水输沙能 力。基于国内外研究现状，对U型渠道挟沙水流含 沙量变化对流速分布的主要影响进行研究。并得出 以下结论：(1) 1)

13、型渠道最大流速位于水面以下某处，随 着含沙量的增加而下降；(2) 含沙量较大时，水流中会出现流核，流速 不在符合对数分布，水和沙作为一个整体向前 运动；(3) 当含沙量较大时，横向流速仍服从指数分 布，但A和z出现较大变化；(4) 随着含沙量增大，二维区域的宽度加宽, 当含沙量达到500kg/m3时，整个渠道将充满流核。参考文献1孙东坡，刘明潇，王鹏涛，等.双峰型非均匀沙推移运动特性及 输移规律口.水科学进展，2015(05)： 660-667.2夏军强，张晓雷，邓珊珊，等.黄河下游高含沙洪水过程一维水 沙耦合数学模型J.水科学进展，2015(05)； 686-697.3李季，曹志先，PENDER Gareth,等,明渠挟沙水流双层积分模 式的双曲性分析.中国科学：物理学力学天文学，2015 (10) : 44-56.4王义刚，张薇娜，黄惠明，等.辐射沙脊群泥沙来源及输运研究 综述JL水利水电科技进展,2015(05)