消力池尾坎坡度對(duì)水躍及排砂效果影響的試驗(yàn)研究

張春妮，田　忠，王　韋

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610050)

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消力池尾坎坡度對(duì)水躍及排砂效果影響的試驗(yàn)研究

張春妮，田忠，王韋

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610050)

摘要：水電工程中常通過在消力池中形成水躍來消能，水躍的類型、發(fā)生的位置對(duì)于消能率和消力池長(zhǎng)度等有重要影響。通過模型試驗(yàn)研究了4種不同消力池尾坎坡度(i=∞、1∶2、1∶4、1∶10)下的躍首位置、水深和流速，分析了消力池尾坎的坡度對(duì)水躍位置以及消能率的影響，并對(duì)4個(gè)體型的排砂效果進(jìn)行了觀察比較。試驗(yàn)結(jié)果表明：消力池尾坎坡度越大，水躍位置越趨向上游，消力池所需長(zhǎng)度越短，消能率越大，但排砂效果越差；在尾坎坡度為i=1∶2時(shí)，能較好的兼顧消能效率和排砂效果。

關(guān)鍵詞：消力池；尾坎坡度；水躍位置；消能效率；排砂效果

0引言

消能坎式消力池[1]是底流消能的形式之一，該型消力池既能消減高速水流的能量，也能縮短消力池長(zhǎng)度，節(jié)省工程造價(jià)。目前，消能坎式消力池尾坎的常用體型是上游面為直立面的直角梯形體，韓守都、劉沛清等[2- 6]對(duì)尾坎的高度和位置、水躍的躍長(zhǎng)和位置以及消能率等進(jìn)行了研究；王均星等[7- 8]研究了消力池內(nèi)輔助消能工對(duì)水躍消能效率的影響，提出消力池尾坎可縮減消力池長(zhǎng)度、提高消能效率；張志昌等[9- 10]分析了消力坎式消力池淹沒系數(shù)、坎高的簡(jiǎn)化計(jì)算方法和水躍長(zhǎng)度的理論計(jì)算方法；羅嗣荃[11]用迭代法計(jì)算了平底寬矩形斷面水躍位置，簡(jiǎn)化了常規(guī)的圖解法。

對(duì)于山區(qū)河流水電工程，上游面為直立面的消力池不利于排砂，而將尾坎上游面做成斜面將降低消能效率。為了獲得排砂效果較好，同時(shí)兼顧消能效率，本文結(jié)合某水電工程，在1∶50的水力學(xué)模型上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，將消力池的尾坎坡度分別設(shè)為i=∞(上游面為直立面)、1∶2、1∶4、1∶10。

1理論分析

1.1躍首位置的分析

由于消力池的尾坎對(duì)水躍段水體產(chǎn)生反擊力，應(yīng)用動(dòng)量方程推導(dǎo)有尾坎時(shí)的水躍方程[1]為

(1)

或

(2)

(3)

或

(4)

式中，θ為消力池尾坎的上游斜面與水平面的夾角。

1.2水躍消能率的分析

水躍消能系數(shù)Kj為

Kj=E/E1

(5)

2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃制作，幾何比尺為1∶50。模擬范圍包括上游水庫、引水電站、泄洪沖沙閘、混凝土消力池、框格梁及其下游河道。圖1和圖2分別為試驗(yàn)裝置圖和消力池及4個(gè)體型的縱剖面圖，取邊孔沖沙閘為研究對(duì)象，消力池的模型長(zhǎng)78 cm，寬26 cm，斜坡段坡度為1∶5，弧形閘門最大開度為24 cm，各工況中開度分別取e=1/4、1/3、1/2、3/4。流量測(cè)量采用矩形薄壁堰(測(cè)量精度0.1 L/s)，量堰寬99.5 cm；流場(chǎng)測(cè)量采用LGY-II型智能流速儀(精度1.0 cm/s)；水深和水躍位置測(cè)量采用鋼尺(精度1 mm)；上、下游水庫水位測(cè)量采用水位測(cè)針(精度0.1 mm)。

圖1　試驗(yàn)裝置示意

圖2　消力池及四個(gè)體型的縱剖面示意

為了研究消力池尾坎坡度對(duì)水躍位置、消能率和排砂效果的影響，選取四種不同坡度的尾坎體型進(jìn)行試驗(yàn)。各體型的尺寸：①體型I尾坎坡度為∞，即上游面為直立面；②體型II尾坎坡度為1∶2，底邊長(zhǎng)8 cm；③體型III尾坎坡度為1∶4，底邊長(zhǎng)16 cm；④體型VI尾坎坡度為1∶10，底邊長(zhǎng)40 cm。上述4種體型均高4 cm，寬26 cm。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1躍首位置的試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文旨在研究4個(gè)體型對(duì)水躍和排砂效果的影響差異，因此保證各體型在相同閘門開度下的試驗(yàn)條件相同，即在4個(gè)體型的弧形閘門均取4個(gè)不同開度下，控制上游水庫為正常蓄水位、下游各體型相應(yīng)工況取同一水位進(jìn)行試驗(yàn)研究。其中，消力池的理論長(zhǎng)度用SL 265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]中的消力池長(zhǎng)度計(jì)算公式，由于試驗(yàn)中體型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的水躍基本均發(fā)生在消力池的斜坡段，為便于測(cè)量計(jì)算，本試驗(yàn)中取躍首位置(即以斜坡消力池進(jìn)口為測(cè)量起點(diǎn)至水躍發(fā)生處的水平距離，見圖2)代替消力池斜坡段投影長(zhǎng)度，消力池的實(shí)際長(zhǎng)度計(jì)算公式為

(6)

(7)

圖3　躍首位置與尾坎坡度關(guān)系

3.2水躍消能效率的試驗(yàn)結(jié)果及分析

將試驗(yàn)所測(cè)得4個(gè)體型分別在不同開度、相同上下游水位工況下的躍前、后斷面的水深和流速，代入式(5)計(jì)算得出各工況的Fr1和Kj值，見表2。試驗(yàn)結(jié)果表明，在閘門開度為1/4時(shí)，體型Ⅰ的Fr1為3.12，最大，Kj可達(dá)40%，消能效果最好；體型Ⅱ的Fr1為3.08，Kj為38%；體型Ⅲ的Fr1為2.99，Kj為36%；體型Ⅳ的Fr1為2.94，最小，Kj僅為32%，消能效果最差；且4個(gè)體型各工況下Fr1和Kj的大小趨勢(shì)均如此，即體型Ⅰ的Fr1最大，消能效果最好，體型Ⅱ次之，體型Ⅲ略低于體型Ⅱ，體型Ⅳ的Fr1最小，消能效果最差。由此可見，消力池尾坎坡度越大，F(xiàn)r1越大，Kj越大，消能率越高，與理論分析相符。

表11/4 、1/3閘門開度下消力池長(zhǎng)度計(jì)算的相關(guān)參數(shù)

閘門開度躍首位置L's/cm躍前水深h'1/cm躍后水深h'2/cm躍長(zhǎng)L'j/cm實(shí)際消力池長(zhǎng)L'sj/cm(L-L'sj)/LⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ1/4081625555.35.215.115.216.116.469.6970.3874.5277.2855.7564.375.6286.820.290.180.03-0.111/31.51018286.66.86.76.917.918.218.318.777.9778.6680.0481.4263.8872.9382.0393.140.180.07-0.05-0.191/20.2915249.49.39.59.420.821.522.122.578.6684.1886.9490.3963.1376.3484.5596.310.190.02-0.08-0.233/40.59.515.52613.213.313.413.423.223.523.623.76970.3870.3871.0755.765.871.882.860.290.160.08-0.06

注：L=78 cm，為消力池的模型長(zhǎng)度。

表21/4 、1/3閘門開度下各工況的Fr1、Kj值

閘門開度Fr1KjⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ1/43.123.082.992.940.40.380.360.321/32.752.692.662.560.330.310.30.261/22.322.292.282.20.260.230.220.173/41.811.781.751.710.150.120.110.09

3.3排砂效果的試驗(yàn)結(jié)果及分析

研究河流中消力池尾坎坡度對(duì)排砂效果的影響，用粒徑1 mm左右的砂石模擬推移質(zhì)，在4個(gè)體型中均取閘門開度為1/2的工況下，待上下游水位穩(wěn)定后在沖沙閘進(jìn)口處放入等體積的砂石，放水1 h后再觀察消力池中排砂情況，見圖4。

圖4　4種體型排砂對(duì)比

試驗(yàn)表明，體型Ⅰ消力池尾坎處砂石最多，排砂效果最差；體型Ⅳ消力池內(nèi)基本無砂石，排砂效果最好；體型Ⅱ和體型Ⅲ尾坎處均有一定量砂石，但體型Ⅲ明顯較少；因此就排砂效果來看，體型Ⅳ最優(yōu)，體型Ⅲ次之。即，消力池尾坎坡度越大，排砂效果越差。由此可見，在山區(qū)河流的消力池尾坎設(shè)計(jì)中，可適當(dāng)減小消力池尾坎坡度以利于砂石等推移質(zhì)的排出。

4結(jié)論

(2)消能系數(shù)Kj隨著尾坎坡度的增大而增大，則體型Ⅰ的消能效率最高，體型Ⅱ次之；但尾坎坡度越大，排砂效果越差，則體型Ⅰ的排砂效果最差。

(3)結(jié)合消力池長(zhǎng)度的要求，兼顧尾坎坡度對(duì)排砂效果和消能率的影響，體型Ⅱ是所選試驗(yàn)體型中相對(duì)較優(yōu)的。體型Ⅱ的消力池尾坎坡度為1∶2，高4 cm，底邊長(zhǎng)8 cm，不僅可以滿足消力池長(zhǎng)度要求，不會(huì)增加施工成本，且消能效率高，排砂效果較好。

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(責(zé)任編輯王琪)

Experimental Study on Hydraulic Jumps and Desanding Efficiency of Stilling Basin with Different End Slope

ZHANG Chunni, TIAN Zhong, WANG Wei

(State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610050, Sichuan, China)

Abstract:The hydraulic jump in stilling basin is used to dissipate energy in hydraulic engineering. The kind and location of hydraulic jump has very important impact in the effect of energy dissipation and the determination of stilling basin length. The hydraulic jump location, water depth and velocity at four different end slopes (i=∞, 1∶2, 1∶4, 1∶10) of stilling basin are studied by model tests. The impacts of end slope on hydraulic jump location and energy dissipation ratio are analyzed, and the desanding efficiencies of four end slopes are also compared. The results show that: (a) when the end slope becomes lager, the location of hydraulic jump tends to move upstream, a shorter length of stilling basin need to be required, a better energy dissipation ratio can be obtained, but the desanding efficiency is worse; (b) When the end slope i equals to 1∶2, the energy dissipation ratio is higher and the desanding efficiency is also better．

Key Words:stilling basin; end slope; hydraulic jump location; energy dissipation; desanding efficiency

中圖分類號(hào)：TV135.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)01- 0107- 04

作者簡(jiǎn)介：張春妮(1992—)，女，重慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗にW(xué)；田忠(通訊作者)．

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379138)

收稿日期：2015- 07- 08