閘后三元突擴(kuò)水躍特性初步研究

韓偉濛 郄志紅 苗臣偉 吳鑫森

摘要：突擴(kuò)多孔水閘開(kāi)啟少數(shù)閘門(mén)時(shí)，閘后水流在局部范圍內(nèi)紊動(dòng)劇烈，形成流態(tài)復(fù)雜的三元突擴(kuò)水躍。為了探究不同突擴(kuò)比對(duì)閘后水流流態(tài)的影響，基于重力相似準(zhǔn)則，以某攔河閘為原型設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)調(diào)節(jié)上下游水位、閘門(mén)開(kāi)度等初始條件，對(duì)突擴(kuò)比分別為0.296、0.378、0.552、0.630四種空間突擴(kuò)水躍進(jìn)行了多種工況下的模擬。在忽略渠道摩阻力條件下，對(duì)形成的抵檔水躍所需尾水水深的公式進(jìn)行了修正，發(fā)現(xiàn)當(dāng)閘門(mén)單孔流量和單寬流量相同時(shí)，二元平面水躍的躍長(zhǎng)均大于空間突擴(kuò)水躍躍長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：多孔水閘；R水躍；突擴(kuò)比；共扼水深比；折減系數(shù)；躍長(zhǎng)

中圖分類號(hào)：TV653 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.023

在北方平原地區(qū)修建的多孔蓄排兼用水閘，除排水行洪期間外正常情況為部分孔開(kāi)啟運(yùn)行，此時(shí)消力池中不會(huì)形成典型平面二元水躍，但會(huì)形成復(fù)雜的三元突擴(kuò)水躍[1-2]。消力池的池深與池長(zhǎng)?；谄矫嫠S的下游尾水和躍長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，與實(shí)際工程中消力池內(nèi)發(fā)生的水躍存在偏差。位于山東省的王營(yíng)盤(pán)、慶云等幾座水閘，曾因按平面水躍進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，故閘后常發(fā)生紊動(dòng)劇烈的三元水躍，遭受到嚴(yán)重的沖刷破壞。

國(guó)內(nèi)外對(duì)等寬渠道內(nèi)的二元水躍或漸擴(kuò)渠道內(nèi)（擴(kuò)散角一般不大于100）的三元水躍已做了大量研究[3-5]，而針對(duì)三元突擴(kuò)水躍的研究相對(duì)較少。Ra-jaratnam等[6]曾對(duì)三元突擴(kuò)水躍進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，通過(guò)探究下游渠道尾水深度與產(chǎn)生水躍形式的關(guān)系，將兩種亞臨界狀態(tài)的三元突擴(kuò)水躍分為抵擋水躍（簡(jiǎn)稱R水躍）和穩(wěn)定水躍（簡(jiǎn)稱S水躍）。當(dāng)下游無(wú)水或水深較淺時(shí)下泄的急流將自由擴(kuò)散到渠道兩側(cè)，隨著下游水深的增加，躍前斷面向上游移動(dòng)，躍首與流向正交，水躍逐漸到達(dá)極限狀態(tài)，將這種條件下的水躍定義為抵擋水躍。但其并未對(duì)多孔水閘部分孔開(kāi)啟時(shí)閘后形成的三元突擴(kuò)水躍進(jìn)行研究。當(dāng)水流進(jìn)入閘室時(shí)側(cè)向收縮，在閘墩附近產(chǎn)生立軸旋渦，上下游的水面線不連續(xù)等情況均與Rajaratnam等的試驗(yàn)研究條件不同。

本文通過(guò)建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ停芯吭诓煌耐粩U(kuò)比下，R水躍的形成與尾水深度的關(guān)系，并對(duì)二元水躍與R水躍的躍長(zhǎng)進(jìn)行比較。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)

以某攔河閘為原型設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。水閘為7孔，閘孔高4.7m、寬8.0m，單孔設(shè)計(jì)流量為123.00m3/s，設(shè)計(jì)上游水位5.58m，閘后未設(shè)置消能設(shè)施。按照重力相似準(zhǔn)則，以1：100的幾何比尺設(shè)計(jì)概化試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ＤＰ捅瘸呷缦拢洪L(zhǎng)度比尺λL=100，流速比尺λV=λL0.5=10，流量比尺λQ=λL2.5=100000。

本試驗(yàn)采用潛水泵循環(huán)供水系統(tǒng)供水，試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀缮嫌吻蓝?、閘室段和下游渠道段組成。渠道上游設(shè)置泄水孔以調(diào)節(jié)上游水位，下游用擋板調(diào)節(jié)下游水位。試驗(yàn)裝置主體部分如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選定4個(gè)突擴(kuò)比β（泄流寬b與渠道寬B的比值），即0.296、0.378、0.552、0.630。當(dāng)選定突擴(kuò)比β=0.296時(shí)，將渠道改為一側(cè)邊孔和一側(cè)6孔的形式，其中邊孔內(nèi)發(fā)生典型的二元水躍，可與三元水躍的流態(tài)進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)時(shí)6孔水閘開(kāi)啟中部?jī)煽?；?0.552時(shí)，將渠道改為左右2個(gè)邊孔和中部5孔的形式，試驗(yàn)時(shí)開(kāi)啟中部3孔，2邊孔作為對(duì)照孔；β=0.378和β=0.630時(shí)，渠道與7孔閘門(mén)等寬，無(wú)對(duì)照孔，分別開(kāi)啟中間3孔和5孔。

通過(guò)泄水孔與擋板調(diào)控上下游水位，改變閘門(mén)的開(kāi)度、開(kāi)啟數(shù)，模擬多種工況下R水躍的水流，研究R水躍的共軛水深比η以及受閘墩長(zhǎng)度影響的變化規(guī)律，渠道斷面示意見(jiàn)圖2。

2 R水躍的水流特性

多孔水閘開(kāi)啟部分孔時(shí)，過(guò)閘水流近似以射流運(yùn)動(dòng)形式沿程擴(kuò)散。在邊界條件約束下，主流擴(kuò)散至渠道邊壁后發(fā)生折射，流向改變，在下游形成主流區(qū)水躍和兩側(cè)副流區(qū)，如圖2所示。主流區(qū)水流流速較大，水位較低，而兩側(cè)副流區(qū)水流因邊壁的摩阻影響而造成的能量損失比中部主流多，流速減小，水位升高。當(dāng)下游無(wú)水或水位較低時(shí)，下泄水流將擴(kuò)散到整個(gè)渠道寬度，并產(chǎn)生連續(xù)折射的菱形波[7]。當(dāng)水位升高時(shí)，貼底射流行進(jìn)至下游逆壓強(qiáng)梯度區(qū)形成表面旋滾，產(chǎn)生較小寬度的水躍。其躍首與主流流向正交，而副流區(qū)形成與流向呈一定角度的水躍。隨著下游水位的繼續(xù)升高，菱形波的隨機(jī)干擾減小，躍前斷面前移，主流區(qū)水躍寬度不斷增加，副流區(qū)與主流區(qū)之間的夾角逐漸減小。當(dāng)夾角約為1000時(shí)主流區(qū)躍寬最大，副流區(qū)與主流區(qū)之間呈弧形銜接。在這種下游水位條件下形成的水躍定義為抵擋水躍。若下游水位進(jìn)一步升高，則在突擴(kuò)拐角處形成強(qiáng)回流，回流區(qū)與主流區(qū)之間形成較強(qiáng)烈的紊動(dòng)剪切層，使水躍減弱。圖3為上游水位為4.7m、開(kāi)度為2m、開(kāi)啟中間3孔閘門(mén)時(shí)形成R水躍的水位和流速分布圖。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 形成空間R水躍的下游水深分析

在出閘口的0-0斷面與形成R水躍的下游尾水2-2斷面間建立動(dòng)量方程，假定：①兩斷面水流均為漸變流；②動(dòng)量修正系數(shù)為1；③忽略兩斷面間總的河床摩阻力。得到方程：式中：γ為水的容重；Q為流量；β0和βt分別為0-0斷面和2-2斷面的動(dòng)量修正系數(shù)；v0、vt分別為0-0斷面和2-2斷面的流速；g為重力加速度；b為泄水口寬度；B為渠道總寬度：h0為閘室末端的水深；h01為閘后兩側(cè)回流區(qū)水位；ht為2-2斷面水深。

（2）對(duì)空間水躍與平面水躍的躍長(zhǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)閘門(mén)單孔流量和單寬流量相同時(shí)，空間突擴(kuò)水躍躍長(zhǎng)均小于二元平面水躍躍長(zhǎng)。在單寬流量相同時(shí)，空間水躍的躍長(zhǎng)約為平面水躍躍長(zhǎng)的0.8倍。

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