浅析分流对弯道水力特性影响的研究现状

浅析分流对弯道水力特性影响的研究现状

莫凯利  方文豪  张可  姚宗富  杨大博

北方民族大学 土木工程学院  银川  750021

摘要：弯道分流在河道或取水工程中是一个常见现象，分流对弯道或河道的水流运动有着明显的影响，间接影响了泥沙的运动和河岸的冲刷等。为了研究和探讨这一问题的研究现状，本文对现有的研究成果进行了分析。研究发现，学者们在这一问题领域开展了大量的试验和数值模拟研究，取得了大量的成果，并应用与实际工程。但是对分流河道（渠道）宽度、角度的变化对弯道内水力特性的研究还不多，很少有采用三维数学模型或智能算法开展相关研究。因此，建议采用新技术开展这些方面的进一步研究，更好的获得弯道分流后水力特性变化的规律，为实际工程项目提供更准确的参考依据。

关键词：分流比; 弯道; 水力特性; 水流流态

自然界中的河流多为弯曲型河道，由于受到重力和离心力的共同作用，弯道中出现横向环流，形成螺旋流，导致弯道中水流面临突然转向、产生旋涡等现象[1-2]。这也使得弯道水流的运动规律在水利工程学的许多领域中，占有重要的位置[2]。弯道水流运动的水力特性本就复杂，在受到引水分流的影响后，弯道的水流流态也随之变得更加复杂[3]。于是，河流的分汊或取水工程的分流比和位置的变化引起弯道水力特性的变化主要表现在水面横比降、横向环流、流速分布和弯道内泥沙淤积等方面。研究引水分流对弯道水流水力特性的影响，在弯道取水工程及整治方面具有重要意义，学者们在这一问题上开展大量的物理实验和数值模拟研究。

1 实验研究

研究分水口前水流的形态，有助于了解分水口附近水流与泥沙的运动规律。利用该规律可以合理的规划分水口、布置分水口的防沙设施，同时对合理设计、布置电厂与灌溉渠道等其它类型的分水口具有一定的实际应用意义。

罗福安等[4]通过水槽实验研究了直角分水口前的水流形态，实验中研究者根据主槽流量变化设计了四种工况，实验中测量了分水口前不同水深处的平面流场，得到了分水口附件的水流特性：距离分水口越近水流流线的弯曲的越大、越密集；从水面到河底流线的弯曲度逐渐增大；河底出现反向水流，由于正反向水流相持，出现滞流区；在分水口上唇内缘出现回流；上述几个特性随着分流比和主槽流量的增大而增强。此外，作者还研究了分水宽度沿水深的变化，发现在分流比不变的情况下，越靠近河底，分水宽度越大，分水量也越大。而水深不变时，分水宽度随着分流比的增加而增加。通过罗福安等学者的研究发现，分水宽度沿水深的分布与该处流速成反比，而且他们根据实验获得的数据，建立了分水宽度与相对流速、水流弗氏数和单宽分流比之间的关系。

姚仕明等[5]对长江中下游分汊河道进行了实测研究，通过对实测资料的分析发现汊道形态、进水口地形、水流的强度和水流动力轴线等都会影响分汊河道的水沙运动和分流分沙情况；分汊河段处水面纵比降较其上游单一河段大；仅改变分流比时，主汊分流比的增加将在主汊出现冲刷，否则将淤积。

陈娟[6]通过水槽实验对弯道分流时支汊河段水流现象进行了定性研究，对支汊河段水流特性进行了较系统的试验，对试验结果分析后发现：支汊河段上游的水面线呈马鞍形，其横向比降相对较大。在支汊河段区域内，自由水面表现了明显的三维特性；因主汊弯道的横向环流影响，在支汊河段的上游形成了折冲水流，而且水位的纵向比降相对较大，但下游的水流却比较平顺；在支汊河段出现了分离区和回流区，且水槽内下层的回流区较上层区发展更完整；水流的紊动强度的分布与流速的大小分布相应，且流速较大的区域对应的水流紊动强度较小。

郭维东等[3]在平底有机玻璃水槽上进行了概化模型试验，改变分流比设置了一些工况，研究结果发现分流破坏了弯道内的水流结构，使得水流发生扩散，消弱了横向环流的强度；弯道主流线逐渐靠向取水口中轴线；从水流的表层到底层，纵向流速的变化逐渐减小；上层水体进入到取水口的流量相对较多。

杨光泉等[7]使用ADV在水槽中开展了分流模型试验，通过改变分流比设置了多种工况研究了弯道水流紊动特性。他们利用试验数据分析研究了水流的紊动强度的结构形式、分流对弯道水流紊动强度分布的影响、不同分流比对弯道水流紊动强度分布的影响，研究结果发现取水口口门上游紊动强度在横断面上符合线性分布，紊动的核心区在液体的近底部；而且越是靠近取水口，分流对水流的紊动结构的影响越大；随着相对水深的增加，纵向和垂向的相对紊动强度值单调递减；在取水口至弯道口位置，水流紊动性增强，且紊动核心区范围与回流区的范围一致；弯道水流的紊动性随着分流比的增大而增强，且紊动核心区和回流区的范围也随之增大。

张鹤等[8]采用ADV在实验室水槽中开展了弯道凹岸横向取水的试验，研究了不同分流比情况下取水口口门断面的水力特性变化：水层表面的分水宽度大于底部，且分流比过大或过小时，底部分水宽度将加大；分流比相同时，支流上层回流区比下层大；当分流比增加时，支流回流区将减小且取水口口门处的水流形态趋于稳定；取水口口没处的垂向流速随着分流比的增加而增加，且此处底部因是紊动的核心区，因此泥沙易进入导致淤积。

钟杰[9]利用U型弯道模型，研究了位于弯道上的低水头拦河闸闸前的水流特性、闸孔的分流比，分析了闸前弯道水面横比降、水面纵比降和纵向垂线平均流速的横向分布等。研究发现低水头拦河闸对闸前水面横比降、纵比降、垂线流速的影响不大；弯道半径、枢纽轴线和弯道进口断面的夹角、河宽等都是影响闸孔分流比的主要影响因素。

2 数值模拟研究

随着计算机技术的快速发展，利用数学模型模拟弯曲型分汊河道或弯道分流的水流运动特性或河道演化过程应用越来越多。

戴文鸿等[10]利用物理模型试验和MIKE21 等水动力数学模型研究技术，数值模拟研究了八卦洲的水位、流速和左右两汊分流比，并分析了切滩、导流坝、疏浚及其组合工程措施对分流比的改善效果。该研究验证了数学模型计算结果与物理模型试验结果的一致性，通过数值模拟计算的结果发现各单项工程措施都能够在一定程度上增强左汊分流比；洲头的导流堤可以改善入流的条件，随着导流堤长度的增加，整治效果逐渐增强，而且导流效果与导流堤的角度有关系；不同的工程措施对出流、河床淤积、泄流能力等有着不同的效果。

许海勇[11]利用MIKE软件模拟研究了长江中游窑监河段及典型弯曲分汊河道，采用平面二维水沙数学模型进行计算，分别设计了7种水流计算的工况及5种河床变形的计算工况，分析弯曲型分汊河道的水流运动特性，发现了一些规律：在弯曲型分汊河道的分汊区内，水位和流速分布、变化都很复杂。各汊道内的水位与流速的分布也不完全相同；汊道的进口与出口处环流强度比较大，这使得洲头、洲尾高程的变化幅度较大。

孟文等[12]根据分流比和分流角度设置了多种工况，采用VOF和k-ε粘度模型，模拟计算了各个工况下的弯道分流流场，并跟实验室弯道分流水槽模型的试验结果进行对比验证。他们发现：弯道水流的表层流速比底层大；在取水口口门的上游弯道入口附近，凹岸附近水位增加，并向凸岸运动；在支水槽右侧边壁处形成了回流区，且上层回流区大于下层。分流比越小取水支流越容易形成回流区，随着分流比的增加，回流区相应减小且断面平均流速逐渐增加；对分流比不变、分流角度增加时，垂向各层均出现回流区，流速最大值的变化规律一致。

黄遥[13]对依托实际工程（渣角滩整治工程），利用二维水沙数学模型，模拟研究了左汊新开直槽宽度对所研究河段中水沙运动特性的影响，研究结果发现新开航槽后，随着挖槽宽度增加，左汊分流量的增幅逐渐减少，当挖槽宽度大于80m时，两汊分流相当；新开槽后，挖槽内流速沿程增加，随着挖槽宽度的增加而逐渐减小；在左汊新开直槽后，可降低流量增加对最大比降值和最大流速只的影响；新开槽后，对左、右汊的输沙强度有明显影响，最终影响汊河的冲淤，并根据数值模拟的结果提出了挖槽宽度范围，在该范围内两汊航槽内不会出现明显泥沙淤积现象。

刘亦伦等[14]研究了下荆江尾闾熊家洲河段在斜槽裁弯形成的新汊道分流进行了数值模拟研究，他们使用MIKE21建立了研究区域的二维水动力数学模型，根据不同来流量和新汊道尺寸设计了多种工况，他们发现汊道展宽至分流明显后，主流水动力轴线沿七弓岭弯道的凸岸偏转；新汊道的形式和发展，对研究区域的河道产生了明显的影响，主要体现在分流比、沿程水位变化和弯道处的水流结构；新汊道的宽度和深度的增加，使得分流量和分流比随之增加，并对出口下游河道的水动力影响增大；汊道的尺寸较大时，汊道的出流几乎垂直于弯道颈口的上游河岸，这将加剧颈口上游未受保护河段出现崩岸，这一结果与原型观测所结果一致。

3结语

通过以上分析，在弯曲型河道上的分汊河道或建设取水工程，将对原河道的水力特性产生明显的影响，并显著影响河道的冲淤、河岸的冲刷，因此研究弯道分流为取水工程的建设、河道整治工程实施提供相应的理论依据，并有着重要的实际应用意义。在这一问题上，学者们开展了大量的试验或数值模拟研究，取得了大量的成果。在未来的研究中还可以在以下几个方面进一步开展相关研究：

（1）现有的研究主要集中在分流比对弯道（河道）中水力特性影响的研究，还可以从分流河道（取水渠道）的宽度、角度变化对弯道（河道）中水力特性的影响；

（2）利用数学模型开展数值模拟研究中，大多采用二维数学模型，还应对采用三维数学模型进行研究；

（3）近年来机器学习等智能算法越来越多的应用与各行业的研究，随着实测或试验数据的增加，可以开展智能算法在这一问题领域的应用研究。

参考文献

[1] 张凤逐, 李春光, 景何仿, 等. 斜交桥墩影响下的弯道水流运动三维数值模拟[J]. 中国农村水利水电, 2023(12): 148-162.

[2] 张玉萍. 弯道水力学研究现状分析[J]. 武汉水利电力大学学报[J]. 2000, 33(5): 35-39,80.

[3] 郭维东, 刘健, 韩冬. 分流对弯道水流水力特性的影响[J]. 人民黄河, 2009,31(6): 93-94.

[4] 罗福安, 梁志勇, 张德茹. 直角分水口水流形态的实验研究[J]. 水科学进展, 1995, 6(1): 71-75.

[5] 姚仕明, 余文畴, 董耀华. 分汉河道水沙运动特性及其对河道演变的影响[J]. 长江科学院院报, 2003, 20(1): 7-9,16.

[6] 陈娟, 郭维东, 石达, 等. 弯道分流时支汊河段水流流态研究[J]. 人民长江, 2008, 39(6): 33-35,40.

[7] 杨光泉, 周柏岩. 分流对弯道水流紊动强度影响的试验研究[J]. 吉林水利, 2009, (10): 39-42.

[8] 张鹤, 赵青, 张黎, 等. 弯道凹岸横向取水口水力特性的试验研究[J]. 东北水利水电, 2011, (5): 60-63,72.

[9] 钟杰. 弯道低水头拦河闸闸孔分流比试验研究[J]. 长江科学院院报, 2011, 28(3): 28-32.

[10] 戴文鸿, 吴书鑫, 张云, 等. 八卦洲汊道改善分流比工程措施研究[J]. 水利水运工程学报, 2013, (6): 1-7.

[11] 许海勇. 弯曲分汊河道水沙运动及河床演变二维数值模拟[D]. 重庆交通大学硕士学位论文, 2016.

[12] 孟文,孙宏伟, 蒋俊峰, 等. 分流对弯道分流口门分布的影响[J]. 农业科技与装备, 2014, 7(241): 59-63.

[13] 黄遥. 弯曲分汊航道新开直槽水沙运动特性研究——以渣角滩整治工程为例[D]. 重庆交通大学硕士学位论文, 2022.

[14] 刘亦伦, 李志威, 谭岚, 等. 熊家洲新汊道对七弓岭弯道水动力调整的影响[J]. 长江科学院院报, 2022, 39(3): 8-12, 20.

项目支持：2023年宁夏回族自治区级大学生创新创业训练计划项目（项目编号S202311407008）