透水斜檻對溢洪道泄槽彎道水流改善效果試驗(yàn)

滕曉敏 陳威 楊金孟 張慶華 張靖

摘要：為了探索透水斜檻對溢洪道泄槽彎道水流的改善效果，在彎道底板布置了5道斜角45°透水率分別為279%、379%、495%的透水斜檻進(jìn)行了模型試驗(yàn)。利用試驗(yàn)結(jié)果，計算了彎道橫斷面水面均勻度及提高率、凹凸岸水面差及減少率等指標(biāo)，以此分析不同透水率斜檻、不同流量條件下彎道段水流的改善效果影響。結(jié)果表明：彎道設(shè)置透水斜檻后能夠改善彎道水流，提高彎道水流均勻度，降低凹凸岸水面差；透水率對水流改善效果有影響，在相同流量情況下，透水率越小，斜檻對水流改善的效果越好；斜檻改善水流的效果隨流量變化，流量越小，改善效果越明顯。但就彎道橫斷面水面均勻度改善效果而言，不同透水率、不同流量之間相差不大。

關(guān)鍵詞：溢洪道；彎道水流；透水斜檻；水面均勻度；水面差

中圖分類號：TV1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05017108

Model test of flow improvement effect of the permeable oblique sill on the bend in spillway chute

TENG Xiaomin，CHEN Wei，YANG Jinmeng，ZHANG Qinghua，ZHANG Jing

（

College of Water Conservancy and Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Taian 271018，China）

Abstract：

In order to explore the flow improvement effect of permeable oblique sill on the spillway chute bend，we carried out a model test of five permeable oblique sills （laid at an angle of 45°） with a permeable rate of 279%，379% and 495%.Based on the test results，we calculated the water surface evenness and the corresponding improvement rate，the water surface difference between concave bank and convex bank and the corresponding decrease rate，so as to analyze the effect of different permeable rates of the sill and different flow rates on improving the flow of the bend.The results were as follows.Firstly，the permeable oblique sill set at the bend could strongly improve the bend flow，increase water surface evenness at the bend，and decrease water surface difference.Secondly，permeable rate could affect the flow improvement effect.Under the same flow rate，the smaller the permeable rate，the better the effect of the sill on flow improvement.Thirdly，the effect of the sill on flow improvement would vary with the flow rate；the effect was more obvious when the flow rate was low.Regarding the improvement effect on the water surface evenness at the bend，the different permeable rates or flow rates did not make much difference.

Key words：

spillway；bend flow；permeable sill；water surface evenness；water surface difference

溢洪道泄槽段的特點(diǎn)是上下游高差大、坡度陡、水流呈急流狀態(tài)。因此，工程設(shè)計中要求泄槽盡量順直、等寬[1]，以避免和減少水流沖擊波對水流的擾動。但在實(shí)際工程中，由于受地形、地質(zhì)等的限制，許多工程泄槽段需要設(shè)置彎道。受彎道橫向環(huán)流的影響，彎道水流流態(tài)惡化，彎道內(nèi)產(chǎn)生橫向沖擊波，致使彎道凹側(cè)水深加大，凸側(cè)水深減少，從而使凹凸岸產(chǎn)生較大的水面差，導(dǎo)致泄槽橫向水流不均勻，給下游消能帶來不利的影響[23]。因此，當(dāng)溢洪道泄槽出現(xiàn)彎道段，且彎道軸線半徑較小時必須采取工程措施，以改善溢洪道彎道水流條件。

在如何改善彎道水流的措施方面，主要有渠底超高法、復(fù)曲線法、渠底橫向扇形抬高法、斜底檻法等。Knapp[4]、李建中[5]、田嘉寧[6]對渠底超高法、復(fù)曲線法進(jìn)行了研究。西北水利科學(xué)研究所[7]對渠底橫向扇形抬高法進(jìn)行了研究。羅美蓉[8]、張銀華[9] 還對螺旋線法、緩沖消力塘法、局部抬高渠底法、消波墩、曲線型隔墩、人工加粗糙及復(fù)合曲線和渠底橫向坡綜合布置等方法進(jìn)行了研究。張慶華[1011]對使用導(dǎo)流墻方法改善溢洪道泄槽彎道段水流條件進(jìn)行了模型試驗(yàn)，并對其效果進(jìn)行了分析。陳志康[12]針對泄槽復(fù)雜多變的彎道，提出了泄槽采用沿程設(shè)置臺階、中部間隔加設(shè)整流池及末端設(shè)置消力池的綜合解決方案，有效地適應(yīng)了彎道、底坡變化大的自然條件。凡偉[13]應(yīng)用RNG [WTB1X]k[WTBX]ε模型對底部為臺階式的彎道進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，給出了水流特性在斷面上的分布特點(diǎn)及其沿彎道的變化過程。

斜檻法是在溢洪道彎道底板上設(shè)置一道或多道斜向底檻，使彎道底層的水流方向改變，從而達(dá)到消減彎道水流沖擊波的目的。Knapp[14]提出利用動量交換原理，通過在渠道底部設(shè)置突檻來調(diào)整彎道底部水流方向，從而改變流場，平衡凹岸與凸岸水面差。陳鑫蓀[15]為了解決輸水洞彎道急流的沖擊波問題，提出斜坎法引導(dǎo)水流轉(zhuǎn)向，對彎道進(jìn)行摻氣、減蝕，起到保護(hù)彎道的作用。楊玲霞等[16]利用底部設(shè)置貫穿式梯形斷面的導(dǎo)流坎來調(diào)節(jié)彎道水流的流場分布。吳宇峰等[17]通過分析彎道段加設(shè)側(cè)斜檻后的動能守恒定律，推導(dǎo)得到斜檻長度的計算公式，并對檻的高度、長度、形狀、斜檻的間距、斜檻與水流方向的夾角等因素進(jìn)行了探討。傅燦等[18]通過實(shí)際工程的水工模型試驗(yàn)，研究了陡槽彎道的水流流態(tài)及削減沖擊波的改善效果。周勤等[19]采用[WTB1X]k[WTBX]ε雙方程紊流模型，對彎道底板布置10道貫穿式斜檻結(jié)合斜底的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，基本消除了彎道內(nèi)沖擊波，并明顯降低了橫向水位差。周星等[20]確定了相對檻高與水流流態(tài)和消能效果的關(guān)系；同時，文中指出斜檻與水流方向的夾角和彎道偏轉(zhuǎn)角互補(bǔ)時導(dǎo)流效果最好。王鑫等[21]對布置5道三種形式的斜檻（高035 m矩形斜坎、高025 m矩形斜坎及高025 m梯形斜坎）的彎道流態(tài)調(diào)整進(jìn)行了可行性研究，認(rèn)為斜坎對消減彎道水面超高、改善水流流態(tài)非常適用，且矩形斜坎優(yōu)于梯形斜坎。

傅燦等[22]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在高速水流情況下，斜檻背水一側(cè)極易出現(xiàn)無水低壓區(qū)，發(fā)生氣穴。吳宇峰等[17]試驗(yàn)也表明，如果水深小于2倍斜檻高度且流速較大時，斜檻背部摻氣更厲害，斜檻間距一般不宜太少，否則急流將會被抬起脫離彎道底部，使其底面產(chǎn)生不同的低壓，而且水流極易產(chǎn)生飛濺。上述問題的發(fā)生，對斜檻和溢洪道的安全極為不利。

為了解決實(shí)體斜檻存在的問題，本文提出了透水斜檻，即在傳統(tǒng)的斜檻上開設(shè)透水孔，從而形成“透水斜檻”。本文主要研究在溢洪道泄槽彎道處固定位置、布置相同高度但透水率不同的斜檻對彎道水流的改善效果，為進(jìn)一步開展溢洪道泄槽彎道采用透水斜檻研究及工程設(shè)計提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)布置

本試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)由地下水庫、水泵、高位水池、供水管道、電磁流量計、穩(wěn)流柵、渠道、模型試驗(yàn)區(qū)、尾水池、回水渠等部分組成。其中，閘閥和電磁流量計用于控制和量測試驗(yàn)流量，模型試驗(yàn)區(qū)用于布置試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃瓦M(jìn)行水深、流速等的測量。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵绾榈佬共蹚澋蓝螢榫匦螖嗝?，寬?00 mm，底坡為002，彎道中心線半徑R=1 200 mm，中心線弧長1 500 mm，彎道后泄槽直線連接段長2 000 mm。彎道段均勻布置5道透水斜檻，位置分別為彎道1/6、2/6、3/6、4/6、5/6圓弧處，斜檻軸線與彎道半徑角度45°，見圖1。

1.3 試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)?zāi)Ｐ头桨浮?/p>

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?個方案，包括3個透水率斜檻模型方案（斜檻位置及斜檻高度相同），2個比較方案，即不透水斜檻和彎道無斜檻方案。

（2）試驗(yàn)流量。

每個試驗(yàn)方案的試驗(yàn)流量至少5個，試驗(yàn)流量滿足溢洪道泄槽水流為急流條件，即不設(shè)置斜檻時，溢洪道彎道開始處的弗勞德數(shù)大于10。

1.4 試驗(yàn)測量

試驗(yàn)測量包括水位、流速、動水壓力（包括脈動壓力）測量，因本文僅涉及水位，因此，僅介紹水位測量。

（1）測量斷面。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ投未怪彼鞣较蛟O(shè)置17個測量橫斷面（圖3），其中彎道段均勻布置13個橫斷面，斷面編號為33，44，…，1515。沿水流方向?qū)ΨQ布置5條縱向測線（AA，BB，…，EE），包括泄槽底板中心線、距中心線兩側(cè)1/4槽寬處、左右邊墻處縱橫斷面的交點(diǎn)為水位測點(diǎn)。

（2）測量儀器。

本試驗(yàn)通過閘閥控制流量大小，采用中國開封儀表有限公司生產(chǎn)的EmagC型電磁流量計測量試驗(yàn)流量。水深測量采用中國重慶華正水文儀器有限公司生產(chǎn)的SX401型數(shù)顯水位針，精度為001 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 水流改善效果分析指標(biāo)

溢洪道泄槽彎道段水流在橫向環(huán)流的作用下，河道橫斷面水深產(chǎn)生變化，凹岸水深明顯高于凸岸水深，從而形成橫向水面比降，致使水流不均勻。彎 道段設(shè)置斜檻的目的，是為了改善這種水流現(xiàn)象，因此，分析彎道水流改善效果可用彎道橫斷面水面均勻度、彎道水面均勻度提高值與彎道橫斷面最大水面差、彎道橫斷面最大水面差降低率4個指標(biāo)來反映。

（1）彎道橫斷面水面均勻度。

彎道橫斷面水面均勻度反映彎道段橫斷面水面的均勻情況，用式（1）計算：

（2）彎道橫斷面水面均勻度提高率。

用彎道橫斷面水面均勻度提高率來反映彎道設(shè)置斜檻與彎道沒有任何改善水流措施相比，彎道橫斷面水面的改善效率。

（3）彎道橫斷面凹凸岸最大水面差。

彎道橫斷面最大水面差是彎道各個橫斷面凹岸水深與凸岸水深差的最大值，反映彎道設(shè)置透水斜檻后對彎道凸凹岸最大水面差的改善情況，按下式計算：

2.2 水流改善效果分析

2.2.1 彎道水面均勻度改善效果

（1）彎道縱橫斷面水面線測量結(jié)果。

本試驗(yàn)對斜檻透水率為0、279%、379%、495%及無斜檻5種情況，流量為50、80、100、120、150 m3/h等5種流量測量了彎道及上下游不同斷面的水深及流速。根據(jù)試驗(yàn)測量結(jié)果，繪制流量150 m3/h情況下，不同透水率及無斜檻條件下彎道凹凸岸縱斷面水面線，見圖4。

由圖4看到，本試驗(yàn)條件下，各種透水率斜檻凹凸岸的水面線均高于無斜檻情況，不同透水率的水面線有一定差距，但差別不大。從圖4（b）看到，凸岸各種透水率的水面線與無斜檻情況的水面線相比，水位提高較大，說明在斜檻的作用下，彎道凸岸水面線得到了改善。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制流量100 m3/h、120 m3/h情況下，彎道橫斷面最大水面差所在斷面的橫斷面水面線，見圖5，其中橫坐標(biāo)1、2、3、4、5分別表示彎道橫斷面的凹岸、左1/4處、中心線、右1/4處及凸岸。

由圖5看到，在彎道最大水面差所在的橫斷面，各種透水率斜檻的水面線均高于無斜檻情況，而且凹岸水面線比較平緩，從而反映了透水斜檻對彎道橫斷面水面差的改善效果是明顯的。

（2）彎道橫斷面水面均勻度。

根據(jù)本試驗(yàn)測量的彎道斷面水深，按式（4）計算彎道橫斷面水面均勻度平均值，繪制不同流量，不同透水率條件下彎道橫斷面水面均勻度平均值直方圖，見圖6。

2.2.2 水面差改善效果

（1）彎道凹凸岸最大水面差。

根據(jù)本試驗(yàn)測量的彎道斷面水深，按式（6）計算彎道橫斷面凹凸岸最大水面差值，繪制不同流量，不同透水率條件下彎道橫斷面凹凸岸最大水面差值直方圖，見圖8。

3 結(jié)論

本文通過對溢洪道泄槽彎道設(shè)置透水斜檻的水力學(xué)模型試驗(yàn)及其分析，得到以下結(jié)論。

（1） 與彎道沒有工程措施相比，彎道設(shè)置透水斜檻后，橫斷面水流均勻度提高，凹凸岸水面差降低，透水斜檻改善彎道水流的效果明顯。

（2） 斜檻的透水率對彎道水流改善效果有一定影響，相同流量情況下，透水率越小，斜檻對水流改善的效果越好，不透水斜檻的效果最優(yōu)。因此，工程設(shè)計中斜檻的透水率不用過大；但就彎道水面均勻度改善效果而言，透水與不透水斜檻的橫斷面水面均勻度平均值、均勻度提高率相差不大。

（3） 透水斜檻改善彎道水流的效果隨流量的不同而變化。在斜檻高度、透水率及布置相同條件下，流量越小，改善效果越明顯。當(dāng)斜檻的透水率相同時，不同流量情況下的彎道橫斷面水面均勻度改善效果雖然有差別，但差別不大，因此，透水斜檻幾何尺寸的設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮流量的變化。

上述分析表明，溢洪道泄槽彎道設(shè)置透水斜檻是又一可行的工程技術(shù)措施，本文的透水斜檻布置及斜檻的透水率，可作為工程設(shè)計參考。另外，為更好地應(yīng)用這一技術(shù)措施，應(yīng)進(jìn)一步開展透水斜檻上下游動水壓力等方面的研究。

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