鋼筋石籠與混凝土消力池消能率對(duì)比試驗(yàn)研究

田振華，張術(shù)彬，韓 雷

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

鋼筋石籠與混凝土消力池消能率對(duì)比試驗(yàn)研究

田振華，張術(shù)彬，韓 雷

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

通過(guò)水工模型試驗(yàn)，研究了平原河道低佛氏數(shù)下，鋼筋石籠與混凝土兩種消力池結(jié)構(gòu)的消能效果。試驗(yàn)對(duì)比分析了兩種結(jié)構(gòu)下的水躍長(zhǎng)度及形態(tài)、消能率等水力參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于低弗氏數(shù)平原河道水流而言，上下游水位差對(duì)水躍長(zhǎng)度與形態(tài)影響顯著。上下游水位差較大時(shí)，混凝土比鋼筋石籠護(hù)坦更容易產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍，上下游水位差較小時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生明顯的波狀水躍；鋼筋石籠的消能效果優(yōu)于混凝土。

水躍；鋼筋石籠；混凝土；低佛氏數(shù)；消能率

0 引 言

對(duì)于低水頭的平原河流而言，一般水利樞紐工程都采用閘壩相結(jié)合的布置方式。由于水閘泄流的特點(diǎn)多為水頭差不大，但尾水變化幅度大，閘門(mén)開(kāi)啟調(diào)度過(guò)程中，能形成由急流到緩流的多變流態(tài)；而平原河道上的低的擋水壩主要是抬高河水位，河流在枯水時(shí)能自流入渠道，在洪水時(shí)讓多余的河水通過(guò)泄洪閘壩下泄，因此閘壩下游水躍前后的佛氏數(shù)一般較低[1]。底流消能作為國(guó)內(nèi)外最常采用的一種低水頭消能形式，其消能率與佛氏數(shù)Fr有關(guān)。Fr<4.5時(shí)泄水建筑物下游通常無(wú)法形成穩(wěn)定水躍，一般稱(chēng)為低佛氏數(shù)水躍，其消能率低，大量余能流向下游，對(duì)下游河床產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷破壞，躍后斷面的垂線流速分布不均，且底部流速大，當(dāng)下泄水流挾帶粗顆粒推移質(zhì)時(shí)，常對(duì)消力池底板形成較強(qiáng)烈的磨蝕；躍后水面波動(dòng)較大，甚至產(chǎn)生多股射流上下擺動(dòng)，并向下游傳播，淘蝕、沖刷下游河岸。

因此，對(duì)平原河道低佛氏數(shù)下的水流的消能防沖的研究是有意義的。本文對(duì)工程中經(jīng)常采用的鋼筋石籠與混凝土兩種護(hù)底下的消能效果，通過(guò)水工模型試驗(yàn)的研究方法，做了對(duì)比分析，得出兩種護(hù)底下的消能率，對(duì)實(shí)際工程有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)及幾何參數(shù)

試驗(yàn)以某渠首工程為原型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。模型試驗(yàn)在黑龍江省水利科學(xué)研究院水利新技術(shù)試驗(yàn)室內(nèi)的玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行。模擬范圍定為上游180 m，寬40 m，平底河床；消力池長(zhǎng)20 m，寬40 m，海漫長(zhǎng)30 m；海漫后河床長(zhǎng)240 m，寬均為40 m。為正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶40，模型的主要比尺關(guān)系如表1所示。溢流壩壩高2 m，采用有機(jī)玻璃制作，經(jīng)過(guò)按比尺放樣、切割、定型、安裝等工序，完成模型的制作。

表1 模型主要比尺關(guān)系

模型試驗(yàn)為定床模型，河床采用水泥砂漿制作地形。上下游河床為同一高程，制作時(shí)不考慮河道比降。由于原型下游消力池、海漫采用鋼筋石籠結(jié)構(gòu)。因此在模型制作中采用鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸按1∶40縮尺，籠內(nèi)填充塊石在模型中使用粒徑縮尺后的碎石模擬。消力池、海漫尺寸與結(jié)構(gòu)均按工程實(shí)際資料相應(yīng)縮尺制作。

1.2 護(hù)坦型式與試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所采用的鋼筋石籠與混凝土兩種結(jié)構(gòu)型式，除制作材料不同外，結(jié)構(gòu)尺寸相同。詳細(xì)尺寸如圖1所示。對(duì)于鋼筋石籠結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中選用Φ0.3鋼絲，網(wǎng)孔為6 mm×6 mm，填充碎石粒徑10 mm，厚度為120 mm；對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，按照相似率的要求，選擇糙率為0.008的有機(jī)玻璃板來(lái)模擬原型的混凝土。

圖1 工程縱剖面圖(上)、平面布置圖(下)

1.3 量測(cè)設(shè)備

模型流量采用傳統(tǒng)矩形量水堰量測(cè)。模型流速觀測(cè)采用南京水利科學(xué)研究院研制的NKY02—1型螺旋槳式測(cè)速儀流速儀量測(cè)，水面線采用精度為0.1 mm的測(cè)針測(cè)量。

1.4 試驗(yàn)工況

斷面模型試驗(yàn)采用對(duì)比研究的方法進(jìn)行。鋼筋石籠與混凝土護(hù)底均采用相同流量的自由出流對(duì)比研究，在上游水位相同時(shí)，對(duì)比分析了兩種消能型式下的水躍形態(tài)與長(zhǎng)度、中軸線斷面流速、佛氏數(shù)、消能率，以及自由出流與淹沒(méi)出流的分界點(diǎn)。具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同結(jié)構(gòu)型式下的過(guò)流能力

分別對(duì)兩種護(hù)底下的過(guò)流能力進(jìn)行試驗(yàn)研究，在保持相同的上游水位，試驗(yàn)得出了兩種護(hù)底下的水位-流量關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖2中可以看出，在保持相同的上游水位下，混凝土護(hù)底的過(guò)流能力稍微大于鋼筋石籠，隨著上游水位的從3.0 m升高至5.0 m，其過(guò)流能力也從7 m3/s的差距提高至26 m3/s，從圖2可以看出，單從過(guò)流能力方面來(lái)講，混凝土較鋼筋石籠略有優(yōu)勢(shì)。

圖2 兩種護(hù)坦下的水位-流量關(guān)系曲線

2.2 水躍流態(tài)及水躍長(zhǎng)度

水躍的流態(tài)與躍前弗汝德數(shù)和下游尾水有直接的關(guān)系，因此在不同來(lái)流與下游尾水條件下，消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的水躍的形態(tài)，通常采用不同于傳統(tǒng)的消力池體型。

水躍長(zhǎng)度Lj，如圖3所示，是指躍前斷面與躍后斷面之間的距離。試驗(yàn)采用實(shí)際量測(cè)的方法得到水躍長(zhǎng)度。在試驗(yàn)中先判斷躍前斷面和躍后斷面的位置，再使用直尺測(cè)量?jī)蓴嗝骈g距離，即得水躍長(zhǎng)度。

試驗(yàn)中，分別對(duì)上游堰上水頭1 m、2 m、3 m各工況下，采用尾門(mén)控制下游水位的試驗(yàn)方法，得出了兩種結(jié)構(gòu)形式下相同上下游水位差時(shí)，各自的水躍長(zhǎng)度及形態(tài)下游流態(tài)，波狀水躍流態(tài)如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖3 水躍長(zhǎng)度

圖4 過(guò)壩水流流態(tài)(波狀水躍)

表3 過(guò)壩水流的水躍長(zhǎng)度及形態(tài)

注：(波)波狀水躍；(淹)波狀水躍；(臨)臨界水躍；(遠(yuǎn))遠(yuǎn)驅(qū)水躍。

遠(yuǎn)：下泄急流在收縮斷面后經(jīng)歷一段壅水才發(fā)生的水躍，其躍前斷面遠(yuǎn)離收縮斷面。

臨：躍前斷面位于收縮斷面的水躍。

波：急流弗勞德數(shù)較小，水面躍起呈波狀向緩流過(guò)渡，未能形成表面旋滾的水躍。

淹：水流由急流向緩流過(guò)渡，下游水深大于臨界水躍的躍后水深時(shí)，表層旋滾涌向上游，淹沒(méi)收縮斷面所形成的水躍。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，下游水位對(duì)水躍形態(tài)的影響明顯。當(dāng)上游來(lái)水量較大，下游水位較淺，上下游水位差較大時(shí)，混凝土比鋼筋石籠更容易產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍。波狀水躍最大值為17.2 m，發(fā)生在壩上水頭為2.0 m，上下游水位差為0.4 m的石籠護(hù)底形式上，而最小值也同樣發(fā)生在石籠護(hù)底上，此時(shí)上游水頭為3.0 m，上下游水位差為0.6 m，因此石籠護(hù)底較混凝土護(hù)底對(duì)躍長(zhǎng)影響更加明顯。隨著上下游水位差的降低，水躍形態(tài)逐漸由淹沒(méi)水躍向波狀水躍轉(zhuǎn)化。隨著壩上水頭的增加，石籠護(hù)底其波狀水躍的長(zhǎng)度變化呈現(xiàn)短長(zhǎng)短趨勢(shì)，而混凝土護(hù)底下卻出現(xiàn)長(zhǎng)短長(zhǎng)的趨勢(shì)；而其淹沒(méi)水躍則呈現(xiàn)出石籠護(hù)底明顯小于混凝土護(hù)底。

2.3 消能率

水力學(xué)伯努力方程：

(1)

消能率計(jì)算是通過(guò)計(jì)算試驗(yàn)中壩前和壩后的機(jī)械能，他們之間的差值即hw是機(jī)械能損失，通過(guò)能量損失與壩前機(jī)械能的比值計(jì)算其消能率。

壩前機(jī)械能：

(2)

出消力池后機(jī)械能：

(3)

水流消能率計(jì)算公式：

(4)

試驗(yàn)得出了，壩上水頭分別為1.0 m、2.0 m、3.0 m時(shí)，不同上下游水位差影響下水躍末端、消力池末端、海漫末端下的消能率，如表4所示。消能率與上下游水位差關(guān)系見(jiàn)圖5。

由表4與圖5可以得出，對(duì)于低水頭的平原河道而言，兩種護(hù)底結(jié)構(gòu)的消能率總體不高，最大消能率≤50%。最大消能率發(fā)生在壩上水頭為2 m，上下游水位差為2 m時(shí)，此工況下消能率最高；而最小消能率則發(fā)生在壩上水頭為1.0 m，上下游水頭差為0.2 m時(shí)其消能率僅為6.5%左右；因此上下游水位差對(duì)消能率的影響明顯，隨著尾門(mén)的啟閉，上下游水位差逐漸減小，其消能率亦逐漸變小。不同位置處的消能率水躍末端>消力池末端>海漫末端。從表中明顯看出，相同工況下，石籠護(hù)底的消能效果優(yōu)于混凝土護(hù)底，主要原因在于，鋼筋石籠護(hù)底相對(duì)混凝土護(hù)底來(lái)講，增加了消力池底部糙率，有效的降低了過(guò)壩水流流速，降低了壩后水流的動(dòng)能，表觀上呈現(xiàn)出波狀水躍的形態(tài)，使得水流機(jī)械能以簡(jiǎn)諧振動(dòng)波的形式向下游傳播。

表4 各工況下消能率對(duì)比表

圖5消能率與上下游水位差關(guān)系

3 結(jié) 語(yǔ)

采用水工模型試驗(yàn)的方法，對(duì)低弗氏數(shù)下平原河道下游消力池的常用結(jié)構(gòu)形式的消能效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了鋼筋石籠與混凝土兩種護(hù)底型式下的水躍長(zhǎng)度以及形態(tài)，重點(diǎn)對(duì)比研究了兩種護(hù)底形式下的水躍末端、消力池末端、海漫末端的消能率，其試驗(yàn)結(jié)果如下：

1)就過(guò)流能力而言，混凝土護(hù)底結(jié)構(gòu)優(yōu)于柔性鋼筋石籠護(hù)底，即相同上游水位下，采用混凝土護(hù)底比采用柔性鋼筋石籠護(hù)底，有更大的過(guò)流量。

2)從堰后水流形態(tài)來(lái)看，采用柔性鋼筋石籠護(hù)底的水面線較混凝土護(hù)底，躍后水流更加平順，隨著下游水位的升高，其水流呈現(xiàn)由淹沒(méi)水躍逐漸向波狀水躍遠(yuǎn)驅(qū)水躍的變化過(guò)程。

3)從消能率角度，柔性鋼筋石籠護(hù)底結(jié)構(gòu)下的消能率略大于混凝土護(hù)底結(jié)構(gòu)，但下游水位的變化，對(duì)消能率的影響較大。

[1]宣北社，裴玉才.水土建筑物消能防沖設(shè)計(jì)與應(yīng)用體會(huì)[J].吉林水利，1996(01)：17-19.

1007-7596(2014)11-0016-04

2014-05-19

專(zhuān)題項(xiàng)目黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目(GC12A301)

田振華(1983-)，男，山東肥城人，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動(dòng)力學(xué)；張術(shù)彬(1965-)，男，遼寧遼陽(yáng)人，高級(jí)工程師；韓雷(1974-)，男，黑龍江海林人，教授級(jí)高級(jí)工程師。

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