導(dǎo)流墻對彎道橫斷面水面差影響實(shí)驗(yàn)

王田田常倩張慶華李樹寧翟興濤

摘要：為研究導(dǎo)流墻對溢洪道泄槽彎道段水流改善的效果，進(jìn)行了不同水力條件下溢洪道泄槽彎道設(shè)置導(dǎo)流墻水工模型實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：設(shè)置導(dǎo)流墻后，彎道橫斷面凹凸岸水面差比無導(dǎo)流墻條件下有明顯的下降，但水面差仍然存在；彎道橫斷面凹凸岸水面差的變化規(guī)律與無導(dǎo)流墻時相同，即隨流量的增大而增大、隨底坡的增大而增大、隨彎道軸線半徑的增大而減小；導(dǎo)流墻的設(shè)置，使彎道橫斷面凹凸岸最大水面差發(fā)生的位置產(chǎn)生變化，有導(dǎo)流墻情況下，大多發(fā)生在彎道中間上下游相鄰斷面，無導(dǎo)流墻情況下，大多發(fā)生在彎道中間之前的上游斷面。

關(guān)鍵詞：溢洪道；泄槽；彎道；導(dǎo)流墻；水面差

中圖分類號：TV135文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

16721683（2016）06014806

Experimental analysis on the influence of diversion wall on the surface difference of cross section of bend

WANG Tiantian1，CHANG Qian1，ZHANG Qinghua1，LI Shuning1，ZHAI Xingtao2

（1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Tai′an 271018，China；2.Water Conservancy Survey and Design Co.，Ltd.of Weihai City of Shandong Province，Weihai 264200，China）

Abstract：In order to study the effect of improving water flow in bend of spilling chute using diversion wall，hydraulic model experiments with diversion wall were carried out under different hydraulic conditions in this paper.The results showed that：After setting diversion wall，the surface difference of cross section in concave and convex banks was significantly lower than that in the absence of diversion wall，but the surface difference still existed；Variation of the surface difference was the same as that without diversion，the surface difference increased with the increase of flow rate and bottom slopes，and decreased with the increase of the radius of bend；After setting diversion wall in the bend of spillway chute，the position of the maximum surface difference changed.The maximum surface difference was seen in the vertically adjacent section of middle bend in the presence of diversion wall，whereas in the upstream section before middle bend in the absence of bend.

Key words：spillway；chute；bend；diversion wall；water surface difference

溢洪道是土石壩樞紐工程的重要組成部分，一般由進(jìn)水渠、控制段、泄水槽、消能防沖設(shè)施及出水渠組成。由于泄水槽水流流速大，常為急流。因此，泄槽盡可能采用直線、等寬、對稱布置，使水流平順。但在實(shí)際工程中，由于受地形、地質(zhì)等方面的限制，許多工程泄槽段需要設(shè)置彎道[15]。在彎道橫向環(huán)流的作用下，彎道內(nèi)產(chǎn)生橫向沖擊波，致使彎道凹岸水深加大，凸岸水深減小，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。因此，當(dāng)溢洪道泄槽設(shè)置彎道段，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。

改善彎道水流的工程措施主要有渠底超高法、復(fù)曲線法、渠底橫向扇形抬高法、斜底檻法等。R.T.Knapp[6]、李建中等[7]、田嘉寧[8]對渠底超高法、復(fù)曲線法進(jìn)行了研究；西北水利科學(xué)研究所對渠底橫向扇形抬高法進(jìn)行了研究[9]，認(rèn)為通過渠底扇形抬高來平衡彎道急流的離心力作用，使水流沿橫斷面的水深逐漸得到調(diào)整，流速逐漸改變方向，達(dá)到各斷面水深與流速分布均勻的目的。Knapp[10]、陳鑫蓀[11]、邱秀云[12]通過對斜底檻法研究，認(rèn)為斜底檻的作用是使渠道底層的水流改變方向，從而達(dá)到消減彎道水流沖擊波的目的。除了以上方法外，西北水利科學(xué)研究所[13]、張銀華[14]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。上述方法都可以用來消減沖擊波，改善彎道段水流流態(tài)，但有的受限于某一設(shè)計(jì)流量，有的施工難度較大，工程量較大。

利用導(dǎo)流墻改善溢洪道泄槽彎道水流已在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用，該技術(shù)通過在彎道內(nèi)沿軸線或在軸線兩側(cè)建設(shè)鉛垂彎曲的導(dǎo)流墻，將彎道分割成兩個或多個泄水渠道，改善了彎道的水流條件，從而降低了彎道橫斷面凹凸岸的水面差，使彎道橫斷面水流均勻。目前對該技術(shù)的研究主要有：張慶華等[15]、周文斌等[16]結(jié)合具體工程進(jìn)行了模型試驗(yàn)，李博杰等[1718]對溢洪道泄槽彎道段設(shè)置導(dǎo)流墻水流改善機(jī)理探討，閆濱等[19]以某水庫為例對通過模型實(shí)驗(yàn)，研究了溢洪道陡槽設(shè)置導(dǎo)流墻對挑流消能的影響，翟興濤[20]對溢洪道泄槽彎道段不同導(dǎo)流墻設(shè)置方案的水流特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，張文靜[21]利用實(shí)際工程模型實(shí)驗(yàn)，對溢洪道彎道段導(dǎo)流墻動水壓力進(jìn)行了初步分析。

本文利用溢洪道泄[HJ1.94mm]槽彎道段設(shè)置導(dǎo)流墻水工模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果[20]，分析了彎道設(shè)置導(dǎo)流墻后流量、彎道半徑、底坡等對其橫斷面凹凸岸水面差的影響，供溢洪道彎道水流研究和導(dǎo)流墻設(shè)計(jì)參考。

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

[JP+1]本實(shí)驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵绾榈佬共蹫榫匦螖嗝妫瑑魧払=500 mm，實(shí)驗(yàn)段長2 800 mm，包括進(jìn)水段長400 mm、閘室段（3孔閘）長300 mm；閘后直線段泄槽長200 mm；泄槽彎道段軸線長1 500 mm；后接直線段泄槽長400 mm。導(dǎo)流墻位于彎道軸線，高度為70 mm。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵罁?jù)彎道軸線半徑分為R=3B、4B、5B（B為槽寬）三個實(shí)體模型；每個實(shí)體模型根據(jù)泄槽底坡i分為i=0005，001，002三種情況。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀珊穸葹? mm的PVC塑料板制作而成。

1.2實(shí)驗(yàn)方案

本研究依據(jù)溢洪道泄槽彎道半徑、泄槽底坡及泄槽流量，將實(shí)驗(yàn)分為彎道有無導(dǎo)流墻、3個彎道半徑、3個底坡、3個泄槽流量4種條件、54個實(shí)驗(yàn)方案。

導(dǎo)流墻在彎道泄槽中有以下三種情況：水位在導(dǎo)流墻以下、水位與導(dǎo)流墻齊平、水位在導(dǎo)流墻以上（即淹沒導(dǎo)流墻）。經(jīng)放水試驗(yàn)，上述三種情況控制流量分別為19，28，52 L/s。

1.3測量斷面

測量斷面分為垂直水流方向的橫斷面和順?biāo)鞣较虻目v斷面。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究需要，本實(shí)驗(yàn)彎道段共設(shè)計(jì)了6個橫斷面，每個斷面設(shè)計(jì)了左右岸邊、導(dǎo)流墻左右、距左右岸邊1/4水槽寬的6條測垂線（縱斷面），測量斷面見圖1。

2結(jié)果與分析

2.1流量對彎道橫斷面水面差的影響

圖2-圖4為溢洪道泄槽彎道半徑、底坡相同條件下，彎道設(shè)置導(dǎo)流墻后，實(shí)測彎道各橫斷面凹凸岸水面差隨流量的變化情況。

（1）由圖2看到，彎道半徑R=3B，底坡分別為i=0.02，0.01，0005的情況下，實(shí)測的15個斷面的凹凸岸水面差都隨流量的增大而增大。例如圖2（a），當(dāng)半徑R=3B、底坡i=002時，斷面2在流量Q=19 L/s情況下的水面差為109 mm，流量Q=[JP2]28 L/s情況下的水面差為337 mm，流量Q=52 L/s情況下的水面差為513 mm。

（2）由圖3看到，半徑R=4B，底坡分別為i=002、001、0005的情況下，在實(shí)測的15個斷面中，有11個斷面的凹凸岸水面差隨流量的增大而增大。例如圖3（b），當(dāng)半徑R=4B，底坡i=001時，斷面3在流量Q=19 L/s情況下的水面差為106 mm，流量Q=28 L/s情況下的水面差為192 mm，流量Q=52 L/s情況下的水面差為406 mm。

（3）由圖4看到，半徑R=5B，底坡分別為i=002、001、0005[HJ1.9mm]的情況下，實(shí)測15個斷面的凹凸岸水面差都隨流量的增大而增大。例如圖4（a），當(dāng)半徑R=5B，底坡i=002時，斷面5在流量Q=19 L/s情況下的水面差為156 mm，流量Q=28 L/s情況下的水面差為240 mm，流量Q=52 L/s情況下的水面差為447 mm。

上述結(jié)果可以看出，彎道設(shè)置導(dǎo)流墻后，彎道橫斷面凹凸岸水面差仍然存在，其值隨流量的增大而增大。

2.2底坡對彎道橫斷面水面差的影響

圖5-圖7為溢洪道泄槽流量、彎道半徑相同條件下，彎道設(shè)置導(dǎo)流墻后，實(shí)測彎道各橫斷面凹凸岸水面差隨溢洪道底坡的變化情況。

（1）由圖5看到，流量Q=19 L/s，半徑分別為R=3B、4B、5B的情況下，在實(shí)測的15個斷面中，有10個斷面的凹凸岸水面差隨底坡的增大而增大。例如圖5（a），當(dāng)流量Q=19 L/s，半徑R=3B時，斷面6在底坡i=002情況下的水面差為255 mm，底坡i=001情況下的水面差為160 mm，底坡i=0005情況下的水面差為87 mm。

（2）由圖6看到，流量Q=28 L/s，半徑分別為R=3B、4B、5B的情況下，在實(shí)測的15個斷面中，有13個斷面的凹凸岸水面差隨底坡的增大而增大。例如圖6（a），當(dāng)流量Q=28 L/s，半徑R=3B時，斷面5在底坡i=002情況下的水面差為256 mm，底坡i=001情況下的水面差為196 mm，底坡i=0005情況下的水面差為128 mm。

（3）[HJ2.35mm]由圖7看到，流量Q=52 L/s，半徑分別為R=3B、4B、5B的情況下，在實(shí)測的15個斷面中，有12個斷面的凹凸岸水面差隨底坡的增大而增大。例如圖7（c），當(dāng)流量Q=52 L/s，半徑R=5B時，斷面4在底坡i=002情況下的水面差為375 mm，底坡i=001情況下的水面差為343 mm，底坡i=0005情況下的水面差為218 mm。

上述結(jié)果可以看出，彎道設(shè)置導(dǎo)流墻后，彎道橫斷面凹凸岸水面差隨底坡的增大而增大。

2.3彎道半徑對彎道橫斷面水面差的影響

圖8-圖10為溢洪道泄槽流量、底坡相同條件下，彎道設(shè)置導(dǎo)流墻后，實(shí)測彎道各橫斷面凹凸岸水面差隨溢洪道彎道半徑的變化情況。

（1）由圖8看到，底坡i=002，流量分別為Q=19 L/s、28 L/s、52 L/s的情況下，在實(shí)測的15個斷面中，有11個斷面的凹凸岸水面差隨半徑的增大而減小。例如圖8（a），當(dāng)?shù)灼耰=002，流量Q=19 L/s時，斷面6在半徑R=3B情況下的水面差為255 mm，半徑R=4B情況下的水面差為160 mm，半徑R=5B情況下的水面差為64 mm。

（2）由圖9看到，底坡i=001，流量分別為Q=19 L/s、28 L/s、52 L/s的情況下，在實(shí)測的15個斷面中，有11個斷面的凹凸岸水面差隨半徑的增大而[JP2]減小。例如圖9（c），當(dāng)?shù)灼耰=001，流量Q=52 L/s時，斷面2在半徑R=3B情況下的水面差為506 mm，半徑R=4B情況下的水面差為376 mm，半徑R=5B情況下的水面差為336 mm。