突擴(kuò)邊墻對(duì)擴(kuò)散式泄槽底流消能水力特性影響研究

阮合春，邱 勇，余遠(yuǎn)浩，段勝禹，羅國(guó)立

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

溢洪道的布置一般遵循等寬、直線、對(duì)稱(chēng)原則，為減輕出口消能壓力及降低對(duì)下游河道的不利沖刷，溢洪道出口常設(shè)置擴(kuò)散段。陳朝[1]通過(guò)模型試驗(yàn)，分析了跌擴(kuò)型底流消能工的水流流態(tài)，并研究了突擴(kuò)比對(duì)消力池內(nèi)水流流態(tài)、底板時(shí)均動(dòng)水壓力分布、臨底流速及近墻流速的影響；陳文鑫[2]通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)，分析了跌擴(kuò)型底流消能工的水流流態(tài)、時(shí)均動(dòng)水壓力分布、臨底流速及近壁流速；黃海艷[3]通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)，著重分析了跌坎深度、突擴(kuò)比和弗勞德數(shù)對(duì)跌擴(kuò)型底流消能工的最大臨底流速和最大臨邊墻流速的影響；周書(shū)建[4]采用水力學(xué)試驗(yàn)方法，對(duì)跌擴(kuò)型底流消能工的消能及其機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究，詳細(xì)分析了跌擴(kuò)型底流消能工消力池內(nèi)水流流態(tài)與水流結(jié)構(gòu)。

上述研究成果均針對(duì)消力池進(jìn)口接等寬矩形小底坡明槽、尾水渠與消力池等寬的跌擴(kuò)式底流消能。

1 試驗(yàn)方案選擇

試驗(yàn)針對(duì)大陡坡，且泄槽出口為擴(kuò)散段的突擴(kuò)消力池。模型采用有機(jī)玻璃制作而成，總長(zhǎng)(平距)11.63m；控制段為WES實(shí)用堰，堰頂高程2.26m，最大水頭2.40m；第一泄槽段(平距4.75m)底坡為1∶11.4、第二泄槽段(平距2.50m)底坡為1∶1.5，擴(kuò)散段位于第二泄槽段末端(平距0.50m，擴(kuò)散角3°)。消力池為跌擴(kuò)型，如圖1所示，跌坎深度0.10m，池長(zhǎng)0.95m，突擴(kuò)寬度B=0.30m(方案一)、0.35m(方案二)和0.40m(方案三)；出口尾水渠(i=0)寬度和擴(kuò)散式泄槽末端等寬，均為0.20m。下泄流量為Q=9L/s、12L/s、15L/s。

圖1 消力池結(jié)構(gòu)體型圖(單位：mm)

2 試驗(yàn)成果分析

在消力池底板沿程布設(shè)3排，共15個(gè)測(cè)點(diǎn)，軸線位置上游至下游編號(hào)依次為0- 1、0- 2、0- 3、0- 4、0- 5；左側(cè)邊墻與軸線中間位置布設(shè)一排，上游至下游編號(hào)依次為1- 1、1- 2、1- 3、1- 4、1- 5；右側(cè)臨邊(距離邊墻10cm)位置布設(shè)一排，上游至下游編號(hào)依次為2- 1、2- 2、2- 3、2- 4、2- 5。每排相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)均為等間距布置，間距為233mm。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 消力池底板測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.1 消力池水流結(jié)構(gòu)分區(qū)

根據(jù)消力池水流流態(tài)，將消力池水流結(jié)構(gòu)劃分為：淹沒(méi)射流、底部旋渦、沖擊區(qū)、附壁射流、補(bǔ)償流區(qū)和表面漩滾，如圖3所示。

圖3 消力池水流結(jié)構(gòu)分區(qū)圖

(1)淹沒(méi)射流：射流進(jìn)入消力池后，在池內(nèi)水體的頂托下形成擴(kuò)散狀淹沒(méi)射流。

(2)底部旋渦：在淹沒(méi)射流的吸卷作用下，淹沒(méi)射流下部形成底部旋渦。

(3)沖擊區(qū)：射流沖擊到底板區(qū)域。入射水流進(jìn)入消力池，受底板約束，流線發(fā)生急劇偏轉(zhuǎn)，水流轉(zhuǎn)向，主流沿底板潛射前行；此外，在主流左、右兩側(cè)及底板上游方向可見(jiàn)強(qiáng)度稍弱的潛射水流。

(4)附壁射流：潛射水流在消力池底板形成流速沿程減小的附壁射流。附壁射流和回淹水流不斷摻混，在靠近邊墻位置形成尺度沿程逐漸增大的上涌水突；同時(shí)，在尾水進(jìn)口底部主流下方可觀察到明顯的橢圓狀橫軸漩滾。

(5)補(bǔ)償流區(qū)：向上游方向的附壁射流，從消力池進(jìn)口兩側(cè)的角隅處涌出，卷入主流。

(6)表面漩滾：回淹水流與兩側(cè)邊墻附近不斷向消力池軸線附近翻卷的水突共同作用，受淹沒(méi)射流影響，形成向消力池進(jìn)口方向涌動(dòng)的表面漩滾。

2.2 泄槽擴(kuò)散段水流流態(tài)

在泄槽擴(kuò)散段，受水流慣性作用，主流靠近軸線中部，在直邊墻和斜邊墻之間的擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)水深小于軸線附近水深，致使橫斷面水深沿水流方向均呈中間高、兩側(cè)低的“凸”形：擴(kuò)散段起始斷面(溢0+09.435m)和擴(kuò)散段末端斷面(溢0+09.935m)處水深分布較為均勻，但在A-A斷面(溢0+09.685m)處，左、中、右水深差值明顯，見(jiàn)表1。此外，擴(kuò)散段水流橫斷面流速分布也呈中間高、兩側(cè)低。

表1 擴(kuò)散段橫斷面(溢0+09.685m)水深分布

2.3 消力池底板臨底流速

臨底流速是泄水建筑物設(shè)計(jì)中一個(gè)重要參數(shù)，其大小對(duì)消力池底板穩(wěn)定、沖磨破壞及空蝕破壞有很大影響。

根據(jù)試驗(yàn)，得到消力池底板軸線測(cè)點(diǎn)的臨底流速，如圖4所示。由圖4可知，相同下泄流量下，消力池臨底流速值隨邊墻突擴(kuò)寬度的增加而降低。不同試驗(yàn)方案中，沖擊區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)臨底流速均最大，沖擊區(qū)下游方向臨底流速沿程下降，上游測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)反向回流。

2.4 消力池底板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)

泄洪時(shí)，高速水流以淹沒(méi)沖擊射流的方式進(jìn)入消力池，撞擊消力池底板，所產(chǎn)生的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)是造成消力池底板破壞的重要原因，它很好表征了消力池底板的總體平均受力情況。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到Q=9L/s、Q=12L/s、Q=15L/s三組流量下底板測(cè)點(diǎn)的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)(p)的分布情況。

在相同下泄流量情況下，底板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)隨邊墻突擴(kuò)寬度的增加而升高，見(jiàn)表2。原因在于隨消力池寬度的增加，主流兩側(cè)的反向水流和射流水體間的剪切、混摻更為充分，附壁射流流速降低。當(dāng)Q=15L/s，方案一測(cè)點(diǎn)0- 2的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)為1.676kPa(v=3.06m/s)；方案二測(cè)點(diǎn)0- 2的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)為2.077kPa(v=2.31m/s)，增幅達(dá)23.9%；方案三測(cè)點(diǎn)0- 2的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)為2.234kPa(v=1.86m/s)，增幅僅為7.6%。

此外，在不同流量情況下，沖擊區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)(0- 2)時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)值均大于消力池中部測(cè)點(diǎn)(0- 3)時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)，其原因在于淹沒(méi)射流流速水頭疊加所致；消力池中部測(cè)點(diǎn)時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)值最小，往下游方向測(cè)點(diǎn)時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)值回升明顯，如圖5所示，表明潛射水流流速沿程衰減。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到消力池其余測(cè)點(diǎn)底板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)分布圖，如圖6、7所示。

由圖6、7可以看出，無(wú)論是消力池底板臨邊測(cè)點(diǎn)，還是邊墻與軸線之間的底板測(cè)點(diǎn)，其時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)均呈沿程遞增，說(shuō)明進(jìn)入消力池的主流經(jīng)過(guò)擴(kuò)散，流速遞減，測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)回升。此外，邊墻與軸線之間底板測(cè)點(diǎn)的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)分布和軸線測(cè)點(diǎn)存在一定的差異性，其原因在于上游擴(kuò)散式泄槽水流橫斷面分布不均，但并不影響消力池整體消能效果。

圖4 消力池底板軸線測(cè)點(diǎn)臨底流速分布圖

圖5 消力池底板軸線測(cè)點(diǎn)時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)分布圖

流量Q/(L/s)消力池寬度B/m各測(cè)點(diǎn)時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)/kPa0-10-20-30-40-5備注9(v=3.53m/s)12(v=3.79m/s)15(v=4.12m/s)方案一0.301.5481.5661.5322.0072.114方案二0.351.8041.8031.7792.1312.247方案三0.401.8561.8821.8482.1592.251方案一0.301.5811.6151.5532.0522.356方案二0.351.7861.8851.7522.1822.427方案三0.401.9432.0371.8642.2432.485方案一0.301.5391.6761.4992.0622.577方案二0.351.8382.0771.7582.2352.715方案三0.401.8882.2341.8792.3002.704v為泄槽擴(kuò)散段末端出口斷面平均流速

對(duì)比消力池邊墻寬度由0.30m(方案一)增加到0.40m(方案三)前后，同一測(cè)點(diǎn)附近(方案一臨邊測(cè)點(diǎn)和方案三軸線與邊墻的中間測(cè)點(diǎn))的底板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)，可以發(fā)現(xiàn)其值上升明顯，表明消力池邊墻擴(kuò)大，底板主流流速降低，射流所具有的能量能夠有效消除。

根據(jù)試驗(yàn)研究，得到消力池垂直水流方向橫斷面底板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)分布，如圖8所示。

由圖8可知：相同流量情況下，沖擊區(qū)范圍內(nèi)，位于軸線附近的測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)較低，靠近邊墻位置的測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)有所回升，但增幅不大。

此外，沖擊區(qū)上游底部旋渦區(qū)，橫斷面(測(cè)點(diǎn)0- 1、1- 1、2- 1)底板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)幾無(wú)明顯變化；在沖擊區(qū)下游橫斷面測(cè)點(diǎn)時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)的變化規(guī)律與沖擊區(qū)附近垂直于軸線方向(測(cè)點(diǎn)0- 2、1- 2、2- 2)類(lèi)似，只是數(shù)值更接近、變幅更小。

2.5 消力池底板動(dòng)水壓強(qiáng)峰峰值

動(dòng)水壓強(qiáng)峰峰值是指同一測(cè)點(diǎn)最大壓強(qiáng)與最小壓強(qiáng)的差值，它描述了壓強(qiáng)值變化范圍的大小?？梢院芎玫谋碚飨Τ氐装迤谄茐牡某潭?。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到不同方案的底板沿程動(dòng)水壓強(qiáng)峰峰值，如圖9所示。

圖6 消力池底板臨邊測(cè)點(diǎn)時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)分布圖

圖7 消力池邊墻與軸線之間底板測(cè)點(diǎn)時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)分布圖

圖8 消力池底板測(cè)點(diǎn)橫斷面時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)分布圖

圖9 消力池底板動(dòng)水壓強(qiáng)峰峰值

由圖9可知，相同下泄流量下，三個(gè)不同方案沖擊區(qū)下游測(cè)點(diǎn)的底板動(dòng)水壓強(qiáng)峰峰值變化均不大，但不同方案下沖擊區(qū)附近測(cè)點(diǎn)(0- 2)的動(dòng)水壓強(qiáng)峰峰值變化明顯：Q=15L/s時(shí)，方案一測(cè)點(diǎn)(0- 2)的動(dòng)水壓強(qiáng)峰峰值為4.921kPa，方案二相同測(cè)點(diǎn)的動(dòng)水壓強(qiáng)峰峰值為4.078kPa(下降幅度20.7%)，方案三測(cè)點(diǎn)的動(dòng)水壓強(qiáng)峰峰值為3.793kPa(相對(duì)于方案二下降7.5%)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)水工模型試驗(yàn)，研究了突擴(kuò)邊墻對(duì)擴(kuò)散式泄槽底流消能底板臨底流速和時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)、底板動(dòng)水壓強(qiáng)峰峰值的影響。成果表明：在試驗(yàn)條件下(跌坎深度0.10m)，消力池寬度0.35m時(shí)，底板臨底流速、時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)及動(dòng)水壓強(qiáng)峰峰值等水力特性均較為理想。繼續(xù)增大消力池邊墻突擴(kuò)寬度，底板臨底流速、動(dòng)力壓強(qiáng)等水力特性的變化已不明顯。