CN108104052B - 感潮河段支流口门引排水枢纽整体流态模型试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感潮河段支流口门引排水枢纽整体流态模型试验方法，采用部分江宽模型模拟感潮河段支流口门流态，并通过流量补偿减少因采用部分江宽模型带来的物理模型中干流流量与实际流量的偏差。采用本发明的方法可准确模拟枢纽引排水情形下支流口门流态，为以后类似工程的模型试验提供了借鉴和依据。

Description

感潮河段支流口门引排水枢纽整体流态模型试验方法

技术领域

本发明涉及物理模型模拟方法，特别是涉及感潮河段支流口门引排水枢纽整体流态模型试验方法。

背景技术

近年来，跨流域调水需求迫切及征地问题突出，感潮河段支流口门枢纽受到用地条件限制常距江较近且开敞布置，进出口门水流受到非对称涨落潮流牵制作用，使得引水、排涝、通航功能协调困难。要解决相关技术问题，首先需通过模型试验正确认识工程河段整体通航流态。然而，由于感潮河段水位流速实时变化，潮流时涨时落且历时不对称，再结合枢纽引水、排涝的不同工况，口门区水流条件十分复杂，这为正确模拟口门区流态带来了很大的困难。此外，由于枢纽所在支流相对于长江(干流)尺度较小，若要准确模拟枢纽流态，则模型比尺不宜过小。然而受到场地的限制，模型范围无法包括整个长江宽度，需采用半江、四分之一江甚至八分之一江或十六分之一江模型，即模型范围只包括部分江宽。当采用部分江宽模型时，由于引排水条件的影响，将会使得物理模型中干流流量与实际流量产生偏差，如何合理设置模型边界线以及给出合适的流量边界条件是流态模拟准确与否的关键问题。目前在物理模型模拟方法中还未有针对支流引排水导致干流流量模拟偏差的流量补偿方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的问题，提供一种感潮河段支流口门引排水枢纽整体流态模型试验方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种感潮河段支流口门引排水枢纽整体流态模型试验方法，包括如下步骤：

(1)确定物理模型比尺：

由于感潮河段支流口门水流受涨落潮牵制作用，故模型范围需将干流涵盖进来，而支流尺度往往远小于干流，为反应支流真实流态，模型比尺不易过小，应根据实际工程概况及试验场地大小综合确定比尺。

(2)选择涨潮及落潮情形下的水位和流量建立水位流量关系，进而概化水流条件，作为开展流态模拟的进出口边界条件。为改善模型试验场地的适应性、简化试验手段并提高试验效率，对物理模型进行了双向恒定流条件的概化。水流条件的概化重点关注涨落潮最不利工况，选择落潮及涨潮情形下的水位和流量建立关系，作为物理模型进出口边界条件的水位流量关系。由于涨落潮影响，水位流量关系紊乱，需选择大潮落潮平稳段数据，拟合出水位流量关系公式，画出水位流量关系曲线。根据建立的水位流量关系曲线得出概化水流条件，作为试验工况开展物理模型试验。考虑到流态的模拟，主要针对的是不利工况，比如涨急及落急情形，而对于转流时刻，流速相对较小，属于有利情形，因此采用双向恒定流控制代替潮汐控制。

(3)由于试验场地的限制，模型范围往往无法包括整个长江宽度，即采用1/n江宽模型范围。模型选择典型工况进行计算，根据支流引河所能影响的干流范围，确定所取模型中干流江宽为实际干流江宽的1/n；

(4)运用数学模型计算出大范围流场，在干流中画出若干断面线，在每个断面线上提取出对应1/n流量的点，将每个断面上提取出的点相连即为1/n江宽的模型范围线；

(5)根据步骤(1)确定的模型比尺及步骤(4)确定的模型范围线建立物理模型，边界条件采用步骤(2)中的概化水流条件，在开展物理模型试验前分别对每组典型的水位流量工况进行流量补偿计算，具体为：运用数学模型计算大范围流场，在主河道设置三个断面，分别对应于支流左岸、支流中心线及支流右岸，提取出三个断面上1/n江宽的模型范围线内的流量值，取其平均值作为物理模型的流量边界条件；

当采用部分江宽模型时，若支流无引排水时影响，本不需流量补偿措施，若支流受到引排水枢纽的引排水作用，支流口门干流区域流量将与实际流量发生偏差，导致流态模拟不准确，需对物理模型进行流量补偿。比如枢纽引水情形下，则干流水流分流进入支流，势必导致物理模型中1/n江宽的口门下游处流量减少，其减少值即为引水流量值。然而实际河道中，其减少的流量并没有引水流量多，这是因为另外(n-1)/n的江宽中水流会进行补给。枢纽引排水导致流量变化的影响从上游断面向下游断面逐渐减弱，因此流量补偿在每个断面处并非定值，但是短距离内相差不大，排水时同理。由于物理模型主要模拟支流口门处河段的流态，只需保证口门附近干流的水流流量尽可能准确，干流设置三个断面，分别对应于支流左岸、支流中心线、支流右岸处，采用数学模型提取该三个干流断面1/n江宽的流量值，取其平均值作为口门处干流的真实流量，进一步则可计算出需补偿的流量值，从而对物理模型流量边界条件进行调整优化，实现支流口门区实际流态的精确模拟。

(6)根据所述步骤(2)中的试验工况开展物理模型试验并进行流场及流态观测，根据流场观测结果研究枢纽整体水流条件，绘制流场图。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(1)中，根据实际工程概况及试验场地大小综合确定水平比尺λ_L及垂直比尺λ_H，并根据水平比尺λ_L及垂直比尺λ_H计算确认其他比尺，包括：流速比尺糙率比尺流量比尺水流时间比尺

作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)中，选择大潮涨潮及落潮平稳段数据，分别拟合出水位流量关系曲线，根据建立的水位流量关系曲线，概化洪、中、枯季典型的流量及水位，作为代表工况开展流态模拟研究。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)中，首先根据设计文件及要求确定试验水位，然后根据水位流量关系得到流量，此处流量为干流总流量，按照步骤(5)中物理模型流量边界条件及流量补偿方法进行计算得出物理模型中校正过的流量边界条件。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(3)中，n取值2、4、8或16。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(6)中，大范围流态通过PIV来测量；断面流速分布通过无线测杆流速仪测量；局部流速测量使用三维多普勒超声仪测量。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供一种感潮河段支流口门引排水整体流态的物理模型试验方法，采用1/n江宽模型范围，在场地有限情形下开展大比尺模型试验，达到准确模拟支流口门区流态的目的。针对感潮河段涨落潮复杂潮汐边界，模型边界采用概化双向恒定流代替潮汐控制可简化试验工况。同时，针对此类物理模型试验中发生的干流流量与实际流量产生偏差的问题，采用本发明提供的流量补偿方法，可以更为准确的设置模型流量边界条件，实现枢纽引排水情形下支流口门流态准确模拟，为以后类似工程的模型试验提供了借鉴和依据。

附图说明

图1为本发明实施例1新孟河延伸拓浚工程界牌水利枢纽的位置示意图；图中1是界牌枢纽；2是大夹江；3是小夹江；4是落潮流；5是涨潮流；

图2为落潮物理模型出口水位流量关系图；

图3为涨潮物理模型出口水位流量关系图；

图4为本发明实施例1新孟河延伸拓浚工程界牌水利枢纽的模型示意图；图中6是地下水库；7是回水廊道；

图5为数学模型计算半江模型范围线示意图；

图6为补偿流量计算断面线示意图；

图7为节制闸引水工况下流态示意图；图7(a)为落潮情形，图7(b)为涨潮情形；

图8为泵站引水工况下流态示意图；图8(a)为落潮情形，图8(b)为涨潮情形；

图9为节制闸排水工况下流态示意图；图9(a)为落潮情形，图9(b)为涨潮情形；

图10为泵站排水工况下流态示意图；图10(a)为落潮情形，图10(b)为涨潮情形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

界牌枢纽位于扬中河段太平洲右汊新孟河口门处，枢纽整体斜向进入大夹江，河道中心线与江堤的夹角约57.8°，建筑物轴线距长江约700m，如图1所示。扬中河段位于潮流界变化区段之内，上起五峰山，下至界河口范围，径流作用为主，同时亦有涨落潮，属感潮河段。现以新孟河延伸拓浚工程界牌水利枢纽为例，说明本发明的具体实施步骤。

步骤一、确定物理模型比尺：

由于新孟河入江口门水流受大夹江涨落潮牵制作用且大夹江作为主要的控制边界，同时节制闸引水流量最大达745m³/s，必须要将大夹江包括其中。而新孟河的尺度(口门宽度300m，内河侧宽度140m)与大夹江(800-1000m)的尺度相比，前者要小很多，为了充分反映枢纽引排水动力条件，模型比尺不宜过小。同时，由于模型探讨问题均与复杂流态有关，模型比尺需设计为正态，考虑工程概况及试验场地大小综合确定模型比尺为1:50。根据水平比尺及垂直比尺可计算出：流速比尺糙率比尺流量比尺水流时间比尺

步骤二、水位流量关系概化及工况设置：

考虑到研究新孟河整体水流条件，主要针对不利工况，比如涨急及落急情形，而对于转流时刻，流速相对较小，属于有利情形，因此可以考虑双向恒定流控制来代替潮汐控制。首先选择落潮情形下物理模型进口流量过程及出口水位过程，选择平稳段，建立水位流量关系，如图2所示，呈现较好的线性关系。根据上述水位流量关系，对于全年而言，可概化大夹江洪、中、枯季典型的流量和水位，作为代表工况，来开展枢纽的整体水力条件研究。同理，选择涨潮时刻的流量和水位建立水位流量关系(图3)，说明涨潮时刻，同一流量条件下对应的并非单一的水位，因此根据概化的洪、中、枯流量下较为不利的水位条件作为出口水位。此外，结合枢纽引、排水工况分别进行组合，形成模型试验工况。

步骤三：根据支流影响范围确定部分江宽模型中n值：

由于枢纽与夹江几乎正交布置，在大比尺条件下，兼顾新孟河长度的同时，可能导致大夹江的长度受到限制，(试验大厅一般为窄长型)，模型范围无法包括整个长江宽度，需采用半江甚至四分之一江或八分之一江模型等，即模型范围只包括部分江宽。根据观测发现当排水流量为设计流量745m³/s时，水流可以顶冲至1/3干流宽度处，为保证物理模型流态模拟的正确性，采用半江模型进行本次物理模型试验。模型范围为大夹江入江口上、下游侧各500m，新孟河为坝轴线外侧800m，具体的模型范围及模型布置如图4。

步骤四：确定部分江宽模型范围线：

所述1/2江宽的模型范围线的确定方法为：运用数学模型计算出不引不排情形下全江范围流场(图5)，在干流中按照模型所取河段范围每隔200m画出断面线，在每个断面线上提取出流量边界条件一半流量的点，将每个断面上提取出的点相连即为半江模型范围线(如图5中所示)。所述提取出流量边界条件一半流量的点，具体方法为在断面上平均设置100个点，提取这些点的流速及水深，应用程序计算出累计流量曲线(横坐标为点，纵坐标为流量)，根据累计流量曲线找出流量边界条件的一半流量所对应的点坐标。

步骤五、对部分江宽物理模型进行流量补偿计算：

由于采用了半江模型范围，因此物理模型中的流量边界条件为干流中1/2江宽的实际流量。由于支流引排水枢纽的水流作用，支流口门干流区域流量将与实际流量发生偏差，导致流态模拟不准确。因此本发明提出流量补偿方法：采用数学模型计算大范围流场，干流设置三个断面，对应与支流左岸、支流中心线、支流右岸处，提取出三个断面上1/2江宽的模型范围线内的流量值，取其平均值作为物理模型的流量边界条件。计算断面如图6所示

步骤六：根据所述步骤二中的工况进行模型试验并进行流场及流态观测，根据所述步骤四中流场观测结果研究枢纽整体通航水流条件：

由于该工程中节制闸及泵站均具有引水、排涝功能，需分别针对节制闸及泵站引排水工况与涨落潮工况相互组合，确定模型试验工况。试验重点关注整体水流条件布置，大范围流态通过PIV来测量，断面流速分布通过无线测杆流速仪测量，局部流速测量使用三维多普勒超声仪测量。根据流态观测数据画出不同工况下整体流态图，形成主要八种流态如图7-10所示。

节制闸引水工况下水流条件如图7所示。落潮情形下，水流顺泵站侧岸壁而下，在泵站前折冲进入节制闸，隔流墩头部存在斜流，其遮蔽区形成回流，节制闸靠泵侧边孔位于回流区，影响节制闸过流能力，外江侧引航道口门区位于遮蔽区，通航水流条件较好；涨潮情形下，引水以较大的转角分流，水流直接顶冲船闸侧岸壁，随后顺岸壁而下至导航墙头部折冲进入节制闸，口门区横流超标；

泵站引水工况下水流条件如图8所示。落潮情形下，引水以较小转角分流，水流贴泵站侧岸线均匀入前池，外江侧引航道口门区处于遮蔽区，通航水流条件较好；涨潮情形下，引水以较大转角分流，水流直接顶冲船闸侧岸壁，随后顺岸壁而下至导航墙头部折冲进入泵站，引航道口门区横流超标，尽管闸站间隔流墩头部存在斜流，经泵站前整流墩调整后，进泵站前池水流均匀；

泵站排水工况下水流条件如图9所示。落潮情形——水流出泵站后，贴右岸前行，直至与大夹江主流汇合，外江侧节制闸前及引航道口门区范围为遮蔽区，远离主流，通航水流条件较好；涨潮情形下，水流出泵站后，贴右岸继往前行，临近大夹江主流区时开始左偏，随后与大夹江主流汇合，外江侧节制闸前及引航道口门区范围为遮蔽区，通航水流条件较好。

节制闸排水工况下水流条件如图10所示。落潮情形下，水流出节制闸后，贴左侧导航墙前行，行进至导航墙头时，主流开始右偏，逐渐过渡至堤头处，以较大的转角与大夹江汇合，外江侧引航道口门区远离主流，通航水流条件较好；涨潮情形下，水流出节制闸后，贴左侧导航墙前行，行进临至堤头时，主流开始左偏，以小偏角与大夹江主流汇合，外江侧引航道口门区处于导航墙的遮蔽区，通航水流条件较好。

Claims (5)

1.一种感潮河段支流口门引排水枢纽整体流态模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定物理模型比尺；

(2)选择涨潮及落潮情形下的水位和流量建立水位流量关系，进而概化水流条件，作为开展流态模拟的进出口边界条件；

(3)选择典型工况进行计算，根据支流引河所能影响的干流范围，确定所取模型中干流江宽为实际干流江宽的1/n；n取值2、4、8或16；

(4)运用数学模型计算出大范围流场，在干流中画出若干断面线，在每个断面线上提取出对应1/n流量的点，将每个断面上提取出的点相连即为1/n江宽的模型范围线；

(5)根据步骤(1)确定的模型比尺及步骤(4)确定的模型范围线建立物理模型，边界条件采用步骤(2)中的概化水流条件，在开展物理模型试验前分别对每组典型的水位流量工况进行流量补偿计算，具体为：运用数学模型计算大范围流场，在主河道设置三个断面，分别对应于支流左岸、支流中心线及支流右岸，提取出三个断面上1/n江宽的模型范围线内的流量值，取其平均值作为物理模型的流量边界条件；

(6)根据所述步骤(2)中的试验工况开展物理模型试验并进行流场及流态观测，根据流场观测结果研究枢纽整体水流条件，绘制流场图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，根据实际工程概况及试验场地大小综合确定水平比尺λ_L及垂直比尺λ_H，并根据水平比尺λ_L及垂直比尺λ_H计算确认其他比尺，包括：流速比尺糙率比尺流量比尺水流时间比尺

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，选择大潮涨潮及落潮平稳段数据，分别拟合出水位流量关系曲线，根据建立的水位流量关系曲线，概化洪、中、枯季典型的流量及水位，作为代表工况开展流态模拟研究。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，首先根据设计文件及要求确定试验水位，然后根据水位流量关系得到流量，此处流量为干流总流量，按照步骤(5)中物理模型流量边界条件及流量补偿方法进行计算得出物理模型中校正过的流量边界条件。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)中，大范围流态通过PIV来测量；断面流速分布通过无线测杆流速仪测量；局部流速测量使用三维多普勒超声仪测量。