不同梯坎尺寸下溢洪道消能段相對流速與相對弗汝德數(shù)的關系

曲更龍

(重慶市水利水電勘測設計研究院，重慶 401120)

不同梯坎尺寸下溢洪道消能段相對流速與相對弗汝德數(shù)的關系

曲更龍

(重慶市水利水電勘測設計研究院，重慶 401120)

為準確地反映梯坎尺寸變化對溢洪道消能段相對流速與相對弗汝德數(shù)關系規(guī)律的影響，選擇重慶柏葉口水電站溢洪道為研究對象，設置0.47 m、0.94 m、1.83 m、3.75 m、7.50 m五組不同梯坎高度的方案，并借助物理模型試驗，將這五組方案依次反映至物理模型中，通過概化試驗進行對比分析。研究結果顯示：非均勻流流態(tài)下相對流速和相對弗汝德數(shù)表現(xiàn)出良好線性關系，相關系數(shù)高達0.985～0.992；梯坎高度對相對流速和相對弗汝德數(shù)表現(xiàn)出的直線傾斜幅度幾乎沒有影響。

梯坎高度；相對弗汝德數(shù)；相對流速；物理模型試驗

在現(xiàn)代水利溢洪道研究、建設中，梯坎式消能結構能夠引導水流產(chǎn)生多次連續(xù)旋滾或水躍，可以有效消耗水流能量，保證消能效率[1-3]。文獻[4]中提出了相對流速與相對弗汝德數(shù)的概念，并通過研究提出可以通過相對流速和相對弗汝德數(shù)來直接評價溢洪道的消能效率，并建議根據(jù)這兩個物理量來確定梯坎尺寸。 本文將以重慶市柏葉口水電站溢洪道為研究對象，通過大量物理模型試驗研究來分析不同梯坎尺寸下溢洪道消能段相對流速與相對弗汝德數(shù)的關系。

1 相對流速與相對弗汝德數(shù)的定義

根據(jù)文獻[4]，對某一梯坎溢洪道，建立與之對應的光滑溢洪道，相對流速與相對弗汝德數(shù)即為光滑溢洪道流速(弗汝德數(shù))與實際溢洪道流速(弗汝德數(shù))之差。根據(jù)該定義，相對流速的定義式為：

ΔV=V光-V實

(1)

相對弗汝德數(shù)的定義式為：

ΔFr=Fr光-Fr實

(2)

2 工程概況及試驗方案

2.1 工程概況

重慶柏葉口水電站位于重慶市忠縣南官河，地處重慶市東北部，川東平行嶺谷區(qū)至大巴山的過渡地帶。水電站上距大中子水文站62.7 km，下離珊瑚村11.7 km。工程河段控制流域面積約227.6 km2，年均徑流量約0.75億 m3，設計洪水位(根據(jù)水電樞紐等級取2%)為680.0 m，正常蓄水位為674.9 m。該水電站按照建筑物性質(zhì)可分為攔河壩、取水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道和廠區(qū)建筑物。

表1 柏葉口水電站水庫調(diào)洪成果表

2.2 工程方案

柏葉口水電站主體范圍包括了庫區(qū)、上游壩體、溢洪道、下游消力池，全長650 m(從溢0+000～溢0+648.22)，高差107.33 m，其中，原方案梯坎段(從溢0+425.3～溢0+547.22)長121.92 m，高75.0 m(從652.64 m降至577.64 m)共布置有41級梯坎，各級梯坎長、寬不盡一致，平均每級梯坎高1.83 m。

2.3 試驗方案處理

2.3.1 概化模型設計

為驗證本工程設計效果，擬建立概化物理模型進行試驗研究、分析。本次水工模型試驗采用長寬高均為1∶50的正態(tài)模型；根據(jù)換算，流速比尺為1∶7.1；流量比尺為1∶17.7；糙率比尺為1∶1.92[5-7]。其中壩體上游庫區(qū)和溢洪道下游河段采用斷面板法用水泥砂漿刮制而成，溢洪道整體(進口段、閘室段、收縮段、順直段、彎曲段、階梯段、消力池段)采用有機玻璃加工拼裝[8-9]。

2.3.2 試驗方案

本模型擬采用對比試驗，即在其他條件不變的情況下，分析不同梯坎尺寸下溢洪道消能段相對流速與相對弗汝德數(shù)的關系。以原方案為基礎方案，增加四組對比試驗，即梯坎高度分別為原方案0.25倍、0.5倍、2倍、4倍。將試驗安排列于表2。

表2 柏葉口水電站物理模型試驗安排

3 試驗效果及分析

根據(jù)各組試驗布置，依次進行模型制作，并在設計工況下進行放水試驗。由于篇幅有限，將試驗序號3下的試驗效果繪于圖1。圖1中設置在梯坎段底部的壓力管用于實時測量梯坎段底部的脈動壓力值。

圖1 柏葉口水電站溢洪道試驗3流態(tài)效果圖

將各組工況(不同梯坎高度)下，相對流速與相對弗汝德數(shù)的對應關系繪于圖2。從圖2中可看出：

(1)在不同梯坎尺寸情況下，相對流速與相對弗汝德數(shù)仍表現(xiàn)為極好的線性關系，各組試驗下，二者的線性相關系數(shù)在0.985～0.992之間。

(2)圖2中最大、最小斜率分別為2.25和2.17，表明5條直線的斜率隨梯坎高度變化無明顯改變，梯坎尺寸對相對流速和相對弗汝德數(shù)表現(xiàn)的直線傾斜幅度無明顯作用。

(3)根據(jù)梯坎式溢洪道相對流速和相對弗汝德數(shù)的物理意義可知，相同坡度、同一單寬流量、同一相對弗汝德數(shù)下梯坎尺寸對水流流速幾乎不造成損失。

圖2 不同梯坎高度下相對流速與弗汝德數(shù)的對應關系

4 結 論

研究表明， 變化梯坎尺寸，梯坎式溢洪道相對流速和相對弗汝德數(shù)表現(xiàn)出的直線關系所對應斜率幾乎不隨梯坎尺寸變化而改變，說明同坡度、同單寬流量、相同相對弗汝德數(shù)下梯坎部分對水流造成的流速損失幾乎不受梯坎尺寸的影響。梯坎式溢洪道是在光滑溢洪道基礎上演變而來的，將梯坎式溢洪道的水力參數(shù)和對應光滑溢洪道的水力參數(shù)進行對比研究，可反映出梯坎部分獨特的水力特性。研究結論可為梯坎式溢洪道設計提供參考與借鑒。

[1] 田嘉寧, 大津巖夫, 李建中,等. 臺階式溢洪道各流況的消能特性[J]. 水利學報, 2003(4):35-39.

[2] 姜伯樂，楊文俊，張暉．三峽工程表孔空化問題試驗研究與原型驗證[J]．水力發(fā)電學報，2009，28(6)：71-74．

[3] 王世夏．水工設計的理論和方法[M]．北京：中國水利水電出版社，2000．

[4] Felder S，chanson H. Energy dissipation down a stepped spillways with nonunifornl step heights[J].Journal of HydrauIic Engineering，2011,137(11):1543-1548.

[5] 吳憲生.梯坎溢流壩下的流速探討[J]．水力發(fā)電學報，2001(2)：73-75．

[6] 張昌平.河工模型測量[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[7] 陳群，戴光清，劉浩吾．階梯溢流壩面流場的紊流數(shù)值模擬[J]．天津大學學報(自然科學與工程技術版)，2002，35(1)：23-27．

[8] 李建中，寧利中．高速水力學[M]．西安：西北工業(yè)大學出版社，1994．

[9] 金瑾，張志昌，尹芳芳．臺階式溢洪道水力特性的數(shù)值模擬[J].中國水運，2009，9(5)：146-148．

The relationship between relative flow velocity and relative Froude number of the spillway dissipation segment in different terraced sizes

QU Genglong

(ChongqingSurvey&DesignResearchInstituteForWaterResourcesAndHydropower,Chongqing401120，China)

To confirm accurately the relationship between the relative velocity and Froude number which is influenced on different terraced sizes of the spillway dissipation segment, in this paper the Chongqing baiyekou hydropower engineering was taken a test example and the physical generalization model experiment was adopted to analyze 5 different terraced sizes that was respectively 0.47 m, 0.94 m, 1.83 m, 3.75 m and 7.50 m. The conclusion showed that the relative flow velocity in the non-uniform flow regime had a good linear relationship with the relative Froude number, and its correlation coefficient was as high as 0.985～0.992. The height of the ladder had little effect on the straight line inclination of between the relative velocity and the relative Froude number.

height of ladder; relative Froude number; relative flow velocity; physical model test

曲更龍(1988-)，男，遼寧大連人，助理工程師，主要從事水利水電工程設計相關工作。E-mail: 1063469178@qq.com。

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