窄縫挑坎水翅軌跡及降雨特性研究

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(長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010)

窄縫挑坎水翅軌跡及降雨特性研究

黃國(guó)兵，杜蘭，王才歡，聶艷華

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010)

2017,34(12):44-47

窄縫挑坎因邊墻收縮形成的水翅擊打岸坡，可能會(huì)對(duì)岸坡穩(wěn)定構(gòu)成威脅，而相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。為了揭示該消能工水翅運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其形成的降雨強(qiáng)度在下游臨岸側(cè)的分布特性，通過(guò)建立系列物理模型，開(kāi)展了窄縫挑坎收縮比和挑角與水翅特性間關(guān)系研究。結(jié)果表明:隨著收縮比減小，水翅被拋射得越高，次生水翅引起的降雨分布區(qū)域位置上移、范圍增大；隨著挑角減小，水翅順?biāo)飨蜻\(yùn)動(dòng)軌跡變化不大，但橫向擴(kuò)散加劇導(dǎo)致降雨橫向分布范圍增大。在此基礎(chǔ)上提出了次生水翅橫向擴(kuò)散系數(shù)的概念，可用于預(yù)測(cè)不同挑坎體型下次生水翅引起下游降雨范圍的形狀特征。該成果可豐富窄縫挑坎研究?jī)?nèi)容，擴(kuò)大研究范圍，并為其體型設(shè)計(jì)提供更全面的理論依據(jù)。

窄縫挑坎; 水翅; 降雨強(qiáng)度; 收縮比; 挑角

1 研究背景

隨著西部水電大開(kāi)發(fā)，窄縫挑坎消能工以其特有的消能機(jī)理成功解決了“大流量、高水頭、窄河谷”的水利樞紐泄洪消能難題。雖然科研工作者對(duì)該消能工做了大量深入系統(tǒng)研究使其盡可能發(fā)揮最大作用，但隨著工程不斷得以實(shí)踐，運(yùn)行中逐漸突顯出一些在前期研究中所未能發(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題，并極可能威脅著工程運(yùn)行安全，其中部分岸邊泄水建筑物因采用窄縫挑坎所產(chǎn)生的水翅擊打岸坡、可能會(huì)造成岸坡失穩(wěn)的問(wèn)題較為突出。

對(duì)于水翅問(wèn)題的研究，一些學(xué)者也進(jìn)行過(guò)探討。紀(jì)偉等[1]采用模型試驗(yàn)研究了泄洪洞中墩的水翅現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)，水翅在縱向和豎向的影響范圍與中墩長(zhǎng)度密切相關(guān)，基本呈反相關(guān)關(guān)系；王川等[2]、楊剛等[3]、沈鑫等[4]，也均以具體工程為例，針對(duì)溢洪道中墩水翅問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究，通過(guò)優(yōu)化中墩體型從而達(dá)到消減水翅目的；韓玙等[5]以大坡度臺(tái)階式溢洪道中的水翅作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)水翅存在的流量變化范圍與溢洪道底坡坡比呈反相關(guān)關(guān)系，而與臺(tái)階尺寸呈正相關(guān)關(guān)系；水翅的高度與坡比呈正相關(guān)關(guān)系，而與臺(tái)階尺寸呈反相關(guān)關(guān)系。

綜上可見(jiàn)，對(duì)水翅問(wèn)題的研究基本都基于溢洪道和泄洪洞中墩及臺(tái)階式溢洪道中的水翅現(xiàn)象，而對(duì)窄縫挑坎因邊墻收縮引起特有的水翅問(wèn)題相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道，亟需深入探討、有效解決。本文通過(guò)建立物理模型，改變窄縫挑坎體型參數(shù)，定量測(cè)得水翅運(yùn)動(dòng)軌跡的特征參數(shù)及其所形成的降雨強(qiáng)度在下游分布范圍，從而分析窄縫挑坎體型參數(shù)與水翅間定量關(guān)系，為窄縫挑坎體型設(shè)計(jì)提供理論參考。

2 試驗(yàn)裝置及方案

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)包括水泵、高水箱、末端帶有窄縫挑坎的陡坡泄槽、尾水渠及回水系統(tǒng)等。

首先，通過(guò)資料收集與分析，結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)場(chǎng)地，由渠道恒定漸變流水面曲線(xiàn)計(jì)算法，計(jì)算不同底坡和泄槽幾何尺寸下，挑坎前斷面水流弗氏數(shù)；同時(shí)由挑流消能的水力計(jì)算，判定體型消能優(yōu)劣。綜上初步水力學(xué)計(jì)算，在消能率均較優(yōu)前提下，采取1 m長(zhǎng)有壓段后接2 m長(zhǎng)坡度為1∶3、底寬為0.2 m的明渠泄槽，泄槽末端連接窄縫挑坎。挑坎體型參數(shù)為：水平長(zhǎng)度L=0.43 m、收縮比β=b/B=0.20,0.25,0.30(b,B分別為窄縫挑坎出口寬度、起始寬度)、挑角θ=-10°,-5°,0°(負(fù)號(hào)代表俯角)。泄槽來(lái)流量恒定為Q=0.1 m3/s，通過(guò)有壓段出口處弧形閘門(mén)來(lái)控制挑坎起始斷面水流弗勞德數(shù)Fr為一定值。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該模型在起始斷面水流弗勞德數(shù)Fr=5.3時(shí)，能夠形成較穩(wěn)定的窄縫流態(tài)，因此，試驗(yàn)工況均基于起始斷面Fr=5.3的水力條件進(jìn)行，下游河道水深為定值。窄縫挑坎體型參數(shù)及試驗(yàn)條件見(jiàn)表1,模型布置見(jiàn)圖1。

表1 窄縫挑坎體型及水力參數(shù)

圖1 模型布置

2.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)重點(diǎn)研究不同挑坎體型下(包括β,θ)，窄縫水翅運(yùn)動(dòng)及其形成的降雨強(qiáng)度在下游分布特性。其中β值變化是通過(guò)改變挑坎b值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。表2列出了不同試驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)的2個(gè)變量參數(shù)值及試驗(yàn)條件。

表2 不同試驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)的體型參數(shù)

對(duì)窄縫水翅運(yùn)動(dòng)特性的探討可通過(guò)對(duì)水翅運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)及落水點(diǎn)位置進(jìn)行分析，試驗(yàn)需測(cè)量參數(shù)包括水翅運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)距下游水平面垂直高度H及距挑坎出口水平距離L1、水翅落水點(diǎn)距挑坎出口水平距離L2，均可用卷尺和鋼直尺直接測(cè)量；水翅擴(kuò)散引起的降雨強(qiáng)度在下游主體水舌兩側(cè)區(qū)域分布情況，由多個(gè)自制雨量器實(shí)測(cè)，單個(gè)雨量器為尺寸0.2 m×0.2 m×0.08 m(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體，其承雨口為刀口形。圖2為窄縫挑坎水流流態(tài)示意圖，圖2中E1=1.6 m為挑坎底板至下游河道水平面距離、E2=1.4 m為測(cè)量降雨強(qiáng)度分布的高程平面。

圖2 窄縫挑坎水流流態(tài)示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 窄縫挑坎水翅

試驗(yàn)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，水流進(jìn)入挑坎后由于邊墻收縮，使靠近兩邊墻水深急劇升高，并向中線(xiàn)匯聚，中線(xiàn)水深則明顯小于兩邊墻水深。窄縫挑坎的水翅現(xiàn)象便是由于挑坎內(nèi)靠近邊墻的兩股急流沖擊波在中線(xiàn)交匯碰撞后，部分水體提前挑射并脫離主體水舌向下游及周?chē)焉⒍?。水翅裂散后，一部分跌落與主體水舌混摻，另一部分則向周?chē)鷴仦?，形成非天然超?qiáng)降雨，若泄水建筑物臨岸布置，則這部分超強(qiáng)降雨水體將對(duì)岸坡造成有力沖擊，對(duì)其穩(wěn)定性構(gòu)成威脅，將此部分裂散水體定義為次生水翅，也是本文重點(diǎn)研究對(duì)象。

3.2 水翅運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)分析

水翅運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)及落水點(diǎn)坐標(biāo)值是反映水翅運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)，將各參數(shù)無(wú)量綱化后列入表3中，并分別繪制不同θ下，L1/E1,H/E1和L2/E1隨β變化關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。

表3 各工況下水翅運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)

圖3 L1/E1,H/E1,L2/E1隨β變化關(guān)系曲線(xiàn)

由表3及圖3可見(jiàn)，θ一定時(shí)，隨著β減小，L1/E1和L2/E1均呈減小趨勢(shì)，而H/E1則呈增大趨勢(shì)。即邊墻收縮程度越劇烈，挑坎內(nèi)急流沖擊波越迅速匯集碰撞，并以較大出射角挑射出去，脫離主體水舌的水翅部分被快速拋射至最高點(diǎn)，但隨后迅速跌落，使落水點(diǎn)在水平方向上越靠近挑坎出口；當(dāng)β一定時(shí)，隨著θ減小，L1/E1,H/E1和L2/E1均略呈增大趨勢(shì)。即相同收縮比下，水翅運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)隨著挑角減小略有增大，且落水點(diǎn)在水平方向上也越遠(yuǎn)離挑坎出口。比較而言，挑坎體型參數(shù)β對(duì)水翅運(yùn)動(dòng)軌跡的影響較θ更為顯著。

3.3 降雨強(qiáng)度分析

窄縫挑坎因邊墻收縮產(chǎn)生的次生水翅對(duì)工程不利影響主要體現(xiàn)在可能會(huì)對(duì)下游邊坡造成沖刷破壞。為了定量分析不同窄縫挑坎體型下次生水翅引起的降雨影響范圍，同時(shí)考慮到靠近主體水舌區(qū)域測(cè)量的降雨強(qiáng)度數(shù)據(jù)精度略差，故在此重點(diǎn)分析稍遠(yuǎn)離主體水舌的500 mm/h和1 500 mm/h降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)包裹范圍。

以挑坎中心線(xiàn)出口點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，順?biāo)鞣较蜃鳛閤軸正向、逆時(shí)針垂直水流方向?yàn)閥軸正向，建立關(guān)于降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)分布坐標(biāo)系。圖4為降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)分布。

圖4 降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)分布

圖4中x1,x2分別表示降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo);Δx1,Δx2分別為1 500 mm/h和500 mm/h降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)沿縱向分布范圍；Δy1,Δy2分別為1 500 mm/h和500 mm/h降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)沿橫向分布范圍。定義η=Δyi/Δxi為次生水翅橫向擴(kuò)散系數(shù)，可作為表征次生水翅相對(duì)橫向擴(kuò)散程度的參數(shù)，則分別將500 mm/h和1 500 mm/h降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)下各參數(shù)值列入表4中。

表4 不同降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)下參數(shù)值

由表4中數(shù)據(jù)可見(jiàn):

(1)θ一定時(shí)，隨著β減小，500 mm/h和1 500 mm/h 等值線(xiàn)的x1值均呈減小趨勢(shì)、Δy值則基本呈增大趨勢(shì)。表明挑坎邊墻收縮程度越劇烈，下游區(qū)域由次生水翅引起的降雨范圍越靠近挑坎出口，且次生水翅橫向擴(kuò)散范圍增大。

(2)β一定時(shí)，隨著θ減小，x1值也略呈增大趨勢(shì)；在θ=-5°,0°時(shí)Δy值變化不大，而在θ=-10°時(shí)Δy值有所減小。表明次生水翅引起的降雨范圍會(huì)隨著挑角減小稍遠(yuǎn)離挑坎出口，而其橫向擴(kuò)散范圍僅在θ=-10°時(shí)有所減小，θ=-5°,0°時(shí)無(wú)明顯變化。

比較而言，體型參數(shù)β對(duì)次生水翅引起的下游區(qū)域降雨范圍較θ更為顯著。這一規(guī)律與3.2節(jié)中水翅運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)與窄縫挑坎體型參數(shù)間變化規(guī)律一致。

圖5 等值線(xiàn)范圍內(nèi)η隨β變化曲線(xiàn)

分析上述可知，窄縫挑坎體型設(shè)計(jì)時(shí)，在滿(mǎn)足消能防沖前提下，可考慮采取邊墻收縮程度較小、挑角較大的體型減小次生水翅產(chǎn)生的超天然降雨對(duì)兩岸邊坡沖刷的影響范圍。

次生水翅橫向擴(kuò)散系數(shù)η反映了下游一側(cè)區(qū)域某一降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)沿橫向與縱向包裹范圍比值。若將降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)包裹范圍形狀稱(chēng)為半橢圓形，則該系數(shù)為橢圓形的橫軸/(2×縱軸)。圖5繪制了

500 mm/h及1 500 mm/h等值線(xiàn)下η隨β變化關(guān)系曲線(xiàn)。

結(jié)合表4及圖5可見(jiàn)，θ一定時(shí)，隨著β增大，η值先增大再減小。即降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)形狀由長(zhǎng)扁狀的半橢圓形逐漸向半圓形發(fā)展，隨著收縮比進(jìn)一步增大，該形狀再回歸成長(zhǎng)扁狀半橢圓形。其中β=0.25時(shí)，η值最大，且在θ=-5°,0°時(shí)η>0.50，表明該收縮比下水翅相對(duì)橫向擴(kuò)散程度最劇烈。當(dāng)收縮比β一定時(shí)，隨著挑坎挑角θ減小，η值呈增大趨勢(shì)，即降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)形狀由半橢圓形逐漸向半圓形發(fā)展，表明挑角越小，水翅相對(duì)橫向擴(kuò)散程度越劇烈。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)窄縫挑坎水翅特性進(jìn)行系列試驗(yàn)研究，得到主要結(jié)論如下：

(1) 挑坎內(nèi)兩股急流沖擊波交匯碰撞后，部分提前挑射并脫離主體水舌向下游及周?chē)焉⒌乃w。水翅裂散后部分向周?chē)鷴仦⒌乃w將形成非天然超強(qiáng)降雨，將此部分裂散水體定義為次生水翅。

(2) 隨著邊墻收縮程度加劇，水翅被拋射得越高且落水點(diǎn)會(huì)更靠近挑坎出口；水翅運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)及落水點(diǎn)均隨著挑角減小略有增大。

(3) 邊墻收縮程度越劇烈，由次生水翅引起的降雨范圍越靠近挑坎出口，且次生水翅橫向擴(kuò)散范圍增大；次生水翅引起的降雨范圍會(huì)隨著挑角減小稍遠(yuǎn)離挑坎出口，而其橫向擴(kuò)散程度受挑角影響不顯著。

(4) 次生水翅橫向擴(kuò)散系數(shù)η可反映下游一側(cè)降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)包裹范圍形狀。并且得知，隨著挑角減小，降雨分布范圍形狀由半橢圓形逐漸向半圓形發(fā)展；隨著收縮比減小，降雨分布范圍形狀由長(zhǎng)扁狀半橢圓形向半圓形發(fā)展，后再回歸至長(zhǎng)扁狀半橢圓形。

(5) 比較而言，體型參數(shù)β對(duì)次生水翅運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散及其引起的下游區(qū)域降雨影響范圍較θ更為顯著。窄縫挑坎體型設(shè)計(jì)時(shí)，在滿(mǎn)足消能防沖前提下，可考慮采取邊墻收縮程度較小、挑角稍大的體型可起到減小次生水翅產(chǎn)生的超強(qiáng)降雨對(duì)兩岸邊坡影響范圍。

[1] 紀(jì) 偉,吳建華,阮仕平.泄洪洞中墩水翅現(xiàn)象的試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,35(1):18-21.

[2] 王 川,戴光清,楊 慶,等.溢洪道中墩水翅的消減研究[J].水電能源科學(xué), 2010,28(3):77-80.

[3] 楊 剛,張 林,冷慧琳,等.重慶青溪河水電站中墩尾部消減水翅結(jié)構(gòu)形式研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2015,(4):52-53.

[4] 沈 鑫.水電站溢洪道中墩尾部水翅消減方案試驗(yàn)研究[J].水利與工程建筑學(xué)報(bào),2015,13(4):201-204.

[5] 韓 玙,馮瑞林,田嘉寧,等.大坡度臺(tái)階式溢洪道中的水翅現(xiàn)象[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2006,25(1):114-118.

Water-wing Trajectory and Characteristics of Rainfall in Slit-type Bucket

HUANG Guo-bing, DU Lan, WANG Cai-huan, NIE Yan-hua

(Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Rare research has been reported on the water-wing in slit-type bucket caused by contracted sidewall which poses a threat on bank slope stability. In this article, a physical model is setup to investigate into the relation between the type of bucket (contraction ratioβand bucket angleθ) and the characteristic of water-wing for revealing the motion law of water-wing in slit-type bucket and the distribution characteristic of rainfall intensity formed by the water-wing near downstream. Results show that along with the decreasing of contraction ratio, the water-wing is ejected higher, and at the same time, the scope of rainfall is larger and its location is closer to the outlet; whereas along with the decreasing of bucket angle, the water-wing trajectory doesn’t change obviously, but the lateral diffusion aggravates, resulting in the increase of rainfall range. On this basis, a concept of secondary water-wing lateral diffusion coefficient is proposed to predict the shape and scope of rainfall caused by secondary water-wing in different slit-type buckets. The research results could enrich the research contents of slit-type bucket, expand research range, and provide more theory foundation for design.

slit-type bucket; water-wing; rainfall intensity; contraction ratio; bucket angle

2016-08-24;

2016-09-27

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0401904)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279013,51379020)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(CKSF2013023/SL,CKSF2014047/SL)

黃國(guó)兵(1963-)，男，湖北天門(mén)人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士,主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究，(電話(huà))13607108252(電子信箱)huanggb@mail.crsri.cn。

杜 蘭(1985-)，女，湖北襄陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事水工水力學(xué)研究,(電話(huà))15872353580(電子信箱)kuailelanlan@163.com。

10.11988/ckyyb.20160864

TV131.65

A

1001-5485(2017)12-0044-04

(編輯：王 慰)