彎曲溢洪道不對稱水流特征及優(yōu)化措施

王立松

（遼寧地方水電設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽 110003）

0 前言

隨著水利水電事業(yè)的發(fā)展，彎曲溢洪道是由于地形地貌及原河道走勢等因素而出現(xiàn)的布置型式，但針對其型式的綜合闡述還不多，該闡述的深度和廣度還不能滿足工程實(shí)踐的要求，尤其是對溢洪道優(yōu)化工程措施的改善下游消能效果的研究闡述尚屬少見。為此本文對溢洪道陡槽彎道及消力池內(nèi)水流的水力特性進(jìn)行闡述，希望能為此類工程設(shè)計(jì)和研究工作提供參考。

1 不對稱水流

不對稱水流是指水深和流速較大的水流寬度只占全河道寬度一部分，包括一般的和特殊的兩種不對稱水流，一般的不對稱水流是指主流方向不發(fā)生改變的不對稱水流，而特殊的不對稱水流是指主流方向發(fā)生改變的不對稱水流，這種水流又稱折沖水流。

1.1 產(chǎn)生原因

不對稱水流產(chǎn)生的原因主要分以下幾種：一種為閘門的不對稱開啟；一種為擴(kuò)散段擴(kuò)散角太大；再一種為溢洪道泄水陡坡彎道等。

折沖水流產(chǎn)生的內(nèi)在原因，處于渠道斷面突然擴(kuò)大段的流速、流向和水位是動蕩變化的。這是由于大尺度漩渦影響所致。這種漩渦周期性地生成于緊鄰?fù)蝗粩U(kuò)大段的下游。流速、流向和水位的動蕩可以通過這種漩渦的尺度和傳遞來解釋。在突擴(kuò)邊界下，主流兩側(cè)形成回流，回流和主流之間產(chǎn)生漩渦，主流的不穩(wěn)定性正是由此影響所致。當(dāng)這種影響較小時，水位和流速波動的現(xiàn)象存在，但不致于引起主流方向發(fā)生更大的偏折，但是，當(dāng)這種影響較大時，產(chǎn)生了主流兩側(cè)回流區(qū)的不對稱性，這為折沖水流的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

1.2 折沖水流的形成過程

由于紊動粘性作用的結(jié)果，在擴(kuò)大段之初，行進(jìn)水流將周圍一部分水體帶走了。為了要保持水流的連續(xù)性，有水體流走的地方又不斷地從周圍補(bǔ)充新的水體，這樣，圍繞著回流區(qū)的中心就產(chǎn)生了附加流量的回轉(zhuǎn)。由于主回流間漩渦的影響，再加上外界的微小干擾或來流中殘存的擾動，主流將會出現(xiàn)局部性的波動，隨同波動而來的是流速和壓強(qiáng)的重新調(diào)整。在主流偏向的一側(cè)，回流區(qū)長度小，匯流區(qū)域也比較小，主流邊緣剪切速度梯度較大，帶走較多的流體，而補(bǔ)充流量相對較??；在主流偏離的一側(cè)，情況相反。結(jié)果，由于回流區(qū)大的一側(cè)回流水深比回流區(qū)小的一側(cè)回流水深大，這將使擾動加劇，擾動發(fā)展到一定程度之后，由于壓強(qiáng)差（兩側(cè)回流水深不等而引起）與底部阻力綜合作用，最后形成了折沖水流流態(tài)，見圖1。

圖1 折沖水流

回流區(qū)的大小隨水深變化。越接近水流表面回流區(qū)長度越大，回流區(qū)在平面上并不完全是閉合的。在對稱突擴(kuò)渠道中，離起始斷面愈遠(yuǎn)回流區(qū)寬度漸小，在側(cè)墻與主回流分界線交點(diǎn)處，水流行至側(cè)墻時，部分動能轉(zhuǎn)化成位能，而在下一時刻，水流在局部壓差的作用下離墻而去，過程不斷反復(fù)。若把主回流分界線與明渠側(cè)墻交點(diǎn)至突擴(kuò)起始斷面的距離，稱為回流區(qū)長度，它將是一個不確定的量。

1.3 彎道水流流態(tài)

當(dāng)水流由直段進(jìn)入彎道后，由于離心力而使自由水面的平衡狀態(tài)遭到破壞，水面形態(tài)沿程變化集中于彎道凹岸側(cè)，水深沿縱向和橫向都發(fā)生變化，凹岸水面高，凸岸水面低，整個水面為一扭曲面。凹岸處由于急流沖擊波的影響，水面線沿程波動，凹岸呈固定的波峰和波谷，使彎道下游直槽段水流明顯發(fā)生折沖現(xiàn)象。

1.4 下游消能影響

消力池入流不對稱性決定了水躍形成滯后偏移，水流能量沿寬度不均勻分布，便引起斜坡水躍偏向一側(cè)，消力池內(nèi)形成大面積立軸旋渦并出現(xiàn)主流折沖，對池內(nèi)水躍產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)D壓，還使消力池中出現(xiàn)較大的水面波動。在陡坡擴(kuò)散段入流條件差，導(dǎo)致產(chǎn)生分股流和小挑流，需要改善上游來流流態(tài)；下游消力池段未產(chǎn)生理想的水躍，池內(nèi)流態(tài)復(fù)雜、混亂，這于入流的不對稱性以及上游沖擊波有直接關(guān)系；消力池的流速在三維方向分布不均，流速方向發(fā)生變化，對一側(cè)沖刷嚴(yán)重，消能效率低，出消力池后流速依然超過不沖流速。

2 彎道水流的優(yōu)化工程措施

溢洪道彎道設(shè)計(jì)主要問題在于使斷面內(nèi)的流量分布趨于均勻，消除或抑制沖擊波。溢洪道彎道水流優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，大體分為兩類：第一類是施加側(cè)向力，即采用工程措施，向彎道水流施加作用力，使它與水流所受的離心力相平衡，消除干擾。第二類是干擾處理法，即在曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，引入與原來的干擾大小相等但相位相反的反擾動，消除擾動的影響。具體工程措施有：渠底超高法、復(fù)曲線法、渠底橫向扇形抬高法、斜底檻法和彎曲隔流墻法等。

2.1 渠底超高法

渠底超高法是在彎道的橫剖面上，將外側(cè)渠底抬高，造成一個橫向底坡利用重力沿橫向坡度產(chǎn)生的分力，與彎曲段水體的離心力相平衡，調(diào)整橫剖面上的流量分布，使之均勻，改善流態(tài)，減少沖擊波和保持彎道段水面的穩(wěn)定性。陡槽彎道外側(cè)相對內(nèi)側(cè)的槽底超高值ΔZ，可用一個離心力方程導(dǎo)出的公式表示：

式中：v——彎道起始段面的平均流速，m/s；

b——陡槽直段水面寬度，m；

g——重力加速度，m/s2；

rc——彎道中心線的曲率半徑，m。

C取決于水流佛汝德數(shù)、陡槽斷面及彎道幾何形狀系數(shù)，對于急流、矩形斷面和彎道為簡單圓弧的C值取為2.0。渠底超高法由于最大抬高是一個固定數(shù)值，因此，它只能適應(yīng)一種流量和水深的要求，在曲率半徑較小的急流彎道內(nèi)，只采取渠底超高法的措施，還不能完全消除沖擊波的干擾。

2.2 復(fù)曲線法

復(fù)曲線法是在主曲線的兩端再各接一段曲率半徑等于主曲線半徑二倍的輔曲線，使水流進(jìn)入主曲線之前在輔曲線內(nèi)側(cè)預(yù)先產(chǎn)生一個負(fù)擾動波，該波到達(dá)外側(cè)邊墻時剛好與主曲線在該處產(chǎn)生的正擾動波互相抵消，使主曲線段內(nèi)的水面在全段保持一種平衡的流態(tài)，干擾波不再向下游傳播。同理，在主曲線的下游端布置同樣的輔曲線也可以產(chǎn)生干擾波來消除下游切線段內(nèi)的擾動。輔曲線的最有效長度為擾動波圖型的半個波長，即L=b/tanβ。其相應(yīng)的輔曲線中心角為：

用復(fù)曲線的邊壁產(chǎn)生反擾動，干擾消減彎道沖擊波，它即可以適用于設(shè)計(jì)流量，也可以適用于其它流量，是一種公認(rèn)的、較為理想的消減沖擊波的方法。

式中：θ——輔曲線中心角，rad；

ri——輔曲線的半徑，m；

β——波角，°。

應(yīng)用復(fù)曲線法可以很好的消除干擾波。但是，試驗(yàn)表明彎道內(nèi)的水面超高仍然存在。對于已建工程，不允許在彎道前后再加設(shè)復(fù)曲線段。

2.3 渠底橫向扇形抬高法

橫向扇形抬高法將其進(jìn)一步改進(jìn)為扇形抬高。此方法的主要特點(diǎn)是：通過槽底扇形抬高來平衡彎道急流的離心力作用，使水流沿程斷面的水深逐漸得到調(diào)整，流速逐漸改變方向。這樣可使水流在斷面上的能量被扇形抬高部分位能不斷調(diào)整平衡，達(dá)到各斷面水深與流速分布均勻。

該方法能有效地消除或減輕彎道急流沖擊波，同時適應(yīng)流量范圍較廣。缺點(diǎn)是施工較麻煩。

2.4 斜底檻法

斜底檻法利用干擾處理法的原理來消減沖擊波所造成的水流擾動。它的作用是使渠道底層的水流改變方向，再由動量交換的機(jī)械作用很快的平均傳到整個橫斷面上去。整個水流旋轉(zhuǎn)的平均角度可以用動量守恒的原理求出速度的最后側(cè)向分量來計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中:θs——流向變角，即斜底檻下游水流方向與水流中心線的夾角，°；

d——斜底檻高，m；

h——水深，m；

通過大家自主、合作、探究，這些主要問題迎刃而解，知道了小動物們對大象耳朵耷拉著產(chǎn)生疑問，大象聽了動物們的話后很是不安，試著改變。在角色中讀一讀、演一演，學(xué)學(xué)生進(jìn)一步明白大象情愿把耳朵耷拉下來，從而懂得不能盲目追從、適合自己的才是最好的道理。

α——底檻對渠道中心線的夾角，°。

斜底檻的位置為：

式中：Lus——從斜底檻靠近主曲線的一端到彎道起點(diǎn)的距離，m；

hi——包括斜底檻引起的擾動在內(nèi)的水深，m；

h0——正常水深，m；

Δhi=hi-h0；

2.5 彎曲隔流墻法

陡槽彎道中在給定的水深、流速和彎道曲率半徑時，最大的水面超高與槽寬成正比。因此，可用同圓心的彎曲隔流墻將一個給定的彎曲渠道分成內(nèi)、外兩槽，則渠道內(nèi)的水面超高將相應(yīng)的減低。而且在隔流墻下游的渠道內(nèi)的擾動也將很快地消失。此種方法彎道段設(shè)置隔流墻后，溢洪道泄流時，在彎道進(jìn)口處隔流墻將槽內(nèi)水流基本均勻地分成內(nèi)、外兩槽，兩槽內(nèi)水流互不影響，使彎道水流的環(huán)流作用減弱，泄槽凹、凸側(cè)水流不均勻的現(xiàn)象較無隔流墻時減弱。

此外，斜導(dǎo)流摻氣挑坎、局部抬高槽底法以及消波墩法，人工加糙法等方法也是控制急流沖擊波改善彎道水流流態(tài)較好的方法。

綜合以上各工程措施的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選定彎曲隔流墻法的工程較多。

3 采取彎曲隔流墻法

3.1 彎道水流形態(tài)

彎道采取彎曲隔流墻后，水流均勻分布，水流在內(nèi)、外兩槽內(nèi)流動，凹凸岸兩槽仍保持彎道水流的水流特性，凹岸水面高，凸岸水面低，凹岸槽內(nèi)水面傾斜較凸岸槽明顯，到彎道下游直槽段水面高差減小,進(jìn)入消力池水流流速較為均勻，消力池內(nèi)橫向水面也基本持平，水流形成良好的水躍，消能效果較好。

3.2 消力池水流狀態(tài)及效能效果

采取彎曲隔流墻法后，在陡坡擴(kuò)散段入流條件得到改善，水流接近于對稱入流。消力池段產(chǎn)生較為理想的淹沒水躍，池內(nèi)流態(tài)規(guī)律、有序的摻混紊動；消力池的流速在三維方向分布不均，主流速方向幾乎與中軸線方向一致，在同一斷面上流速在中軸線左右側(cè)分布較為均勻。大大減小了對左右岸的沖刷，水流出消力池后流速低于不沖流速，對下游沖刷問題的解決非常有利。

4 結(jié)論

本文介紹了不對稱水流的成因及形成過程，闡述陡槽彎道水流流態(tài)和消力池的不對稱入流引起的不良流態(tài)及消能情況，給出了采取彎曲隔流墻法后陡槽彎道水流流態(tài)和消力池的對稱入流的流態(tài)及消能效果明顯好轉(zhuǎn)，實(shí)際工程中應(yīng)通過試驗(yàn)確定所選措施的效果。