彎段溢洪道導流墩聯(lián)合糙條消能工水力特性試驗研究

孫德旭，牧振偉，李凡琦，賈萍陽，張紅紅

(新疆農業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

溢洪道是水庫主要泄水建筑物之一。從水力學觀點看，溢洪道軸線宜取直線、等寬對稱布置，從而保證水流順暢下泄。而在實際工程中，由于施工條件、地形等方面的原因，不得不采用轉彎或變寬布置，所以在平面上布置成圓弧形狀的彎道形式[1-2]。當水流進入彎道后，由于受到離心力作用，在整個斷面內形成封閉狀態(tài)的橫向環(huán)流，致使彎道內產生了水面超高、橫向沖擊波等問題[3]。其形態(tài)與演變密切關系到防洪、水利開發(fā)、航道治理等，是水力學及河流動力學領域相當棘手的重要課題。

彎道的研究一直備受眾多學者關注。謝謙城等[4]通過對連續(xù)彎段水流特性研究，發(fā)現(xiàn)縱向垂直平均流速對河床演變的影響；邱秀云等[5]采用消能柵和導流消能板新措施，通過消、導結合的方法，成功解決了大底坡急流彎道水流流態(tài)的問題；魏祖濤等[6]通過模型試驗研究，分析了實際工程可通過加糙來穩(wěn)定彎道及其下游流態(tài)；白兆亮等[7]、徐樂等[8]通過樞紐工程模型試驗，給出實際工程達到良好引水穩(wěn)流效果的指導建議；王田田等[9]對溢洪道泄槽彎道段設置導流墻對水流特性影響做了實驗研究。孫娟等[10]、李錦艷等[11-12]對“635”水庫多彎段溢洪道內加設導流墩糙條等輔助消能工做了試驗研究；以上方法均可以用來消減彎道環(huán)流及沖擊波，改善溢洪道內水流流態(tài)。本文借助物理模型試驗方法，通過在溢洪道彎道段布設不同形式的輔助消能工，分析彎道設置單一導流墩和導流墩糙條聯(lián)合布設形式對水面結構改善效果、凹凸岸水面差及水流動力軸線的影響，進而闡明彎段溢洪道導流墩、糙條對水流結構的影響。

2 試驗概況

2.1 模型裝置

新疆引額濟克“635”水庫溢洪道有5個彎道段，當溢洪道下泄流量為800 m3/s流量時，凹凸岸水深及流速相差較大，兩彎道之間的順直段無法滿足水流流出彎道后縱向流速分布至正常所需要的調整段長度。為了解決彎道水流飛濺紊亂問題，孫娟等[10]、李錦艷等[11]等通過模型試驗研究了應用于“635”水庫多彎段溢洪道糙條和導流墩聯(lián)合運用的組合方式，研究成果已經過“635”水庫溢洪道實際工程驗證。

為深入研究導流墩與糙條消能工對彎段溢洪道水力特性的影響，參考“635”工程，試驗設計模型類似原型工程，依據重力相似準則，長度比尺為50，對布置不同形式消能工的60°彎段溢洪道進行模型試驗研究。

試驗模型分為矩形床面模型和導流墩、糙條模型，均由亞克力有機玻璃板制作而成。溢洪道模型斷面寬度B=500 mm，彎道段采用R/B=2.2的薄壁彎道(R為彎道中心線曲率半徑)，為避免來流對彎道水流的影響，模型上游進口段布置長度L1=600 mm過渡直段，進口段后接中心角為60°彎道段，彎道末端接長度L2=1 400 mm出口直線段，使得水流能夠平順下泄，模型沿程底坡系數(shù)i=0.025。導流墩模型為長方體，其長寬高分別為：200、13.2、64 mm；糙條為貫穿凹凸岸的“梯形”長方體，寬為30 mm，高度從24 mm漸變?yōu)?2 mm。整個模型試驗裝置系統(tǒng)包括穩(wěn)流前池(池內設置調流板)、進口段、彎道段、下游調整段、量水堰、地下水庫、水泵。模型平面布置圖如圖1(模型平面布置及導流墩標號位置圖)所示。

圖1 模型平面布置及導流墩標號位置圖(單位：mm)

2.2 測量斷面

定義橫斷面為垂直來流方向，縱斷面為順水流方向。

橫斷面進口段編號為0～5共6個斷面，斷面間隔距離為0.2L1；橫斷面彎道段編號為6～15共10個斷面，沿彎道段徑向方向每隔6°布置一個斷面；橫斷面出口段編號為16～25共10個斷面，斷面間隔距離為0.1L2，總共26個斷面。

縱斷面從彎道凸岸(右岸)至凹岸(左岸)分為0～10號共11個縱斷面，斷面間距為0.1B。沿水平面方向共布置了286個測點。試驗測量要素包括水深測量與流速測量。

水深量測采用精度為0.01 mm的測針進行測量，3次讀數(shù)取其平均值；流速測量采用畢托管，量測點位置距底板床面1/3水深處，記此流速為該斷面垂向平均流速。水深、流速網格測量斷面如圖2(橫、縱斷面網格測點布置圖)所示。

圖2 橫、縱斷面網格測點布置圖(單位：mm)

2.3 試驗方案

試驗依據導流墩、糙條在溢洪道內的擺放位置不同，針對彎段溢洪道內有無導流墩與糙條、單一導流墩布設位置不同、單一形式導流墩數(shù)量不同、導流與糙條聯(lián)合布置4種條件，設置了共5種試驗方案。詳細試驗方案說明如表1所示。

經放水試驗觀測，原方案(無導流墩和糙條)在小流量下溢洪道內水流變化較平緩，且加設導流墩未能淹沒溢洪道內輔助消能工，導致水流在導流墩前后呈現(xiàn)明顯“分割”現(xiàn)象，本文控制恒定流量Q=23 L/s，導流墩與軸向半徑夾角為60°，糙條與軸向半徑夾角為22°。此時，上述5種試驗工況下的水位均在導流墩與糙條以上(即淹沒導流墩與糙條)。

表1 試驗方案說明

注：彎道段內導流墩布設起始標號位置為6°，沿軸向水流方向每10°布置一根導流墩，用標號a、b、c、d、e、f分別代表導流墩的布設斷面位置；導流墩與左岸間距是指其上游迎水面與邊墻的距離，導流墩標號位置圖見圖1。

3 試驗結果與分析

3.1 典型斷面水面結構改善效果分析

由于彎道橫向環(huán)流作用，彎道表層水流由凸岸流向凹岸，底層水流則由凹岸指向凸岸。考慮到溢洪道彎曲的邊墻對水流的擾動而產生的沖擊波，沖擊波會在水體表面形成水波，使得水面變化極其復雜。為了反映加設單一導流墩布置形式和導流墩與糙條聯(lián)合布設形式對彎道水流的改善效果，本文引入橫向水面差降低率α和斷面水流均勻度β兩個計算公式[13]來分析水面結構的改善效果。

(1)

式中：α為同一斷面凹凸岸橫向水面差降低率，%；ΔH0為無導流墩和糙條情況下凹凸岸水面差，cm；ΔH1為加設導流墩和糙條情況下凹凸岸水面差，cm。

(2)

式中：β為橫斷面水流均勻度；Hi為斷面某一測點水深，cm；H0為某一橫斷面平均水深，cm；n為水深測量點數(shù)。

可以看出，水面差降低率α值越大，橫斷面水流均勻度β值越小，導流墩和糙條對水流改善效果越好；選取彎道段6#橫斷面、10#橫斷面(近似作為彎頂橫斷面)、14#橫斷面及20#橫斷面為研究對象，對比原方案與5組試驗方案，分別計算斷面的α與β值，計算結果見表2(典型斷面凹凸岸橫向水面差降低率)、表3(典型橫斷面水流均勻度)所示。

表2 典型斷面凹凸岸橫向水面差降低率α %

由表2典型斷面凹凸岸橫向水面差降低率可以看出：當水流剛進彎段進口處(橫斷面6#)時，5組試驗方案的α值均出現(xiàn)較大偏差。其原因是：原方案中水流剛由前面直線型進口段流經彎道進口，水流受凹凸岸水面差引起的側壓力與彎道形成的離心力作用，而側壓力的方向與離心力方向相反，且二者的合力方向即為水流的方向。此時凹凸岸水面差值較小，繼而側壓力較小，水流主要受彎道離心力作用，水流進入彎道進口時(6#橫斷面)，主流位置仍然處于彎道半徑中軸線位置，故橫向水面相對較平緩。無論在彎道內加設單一形式的導流墩或導流墩和糙條聯(lián)合形式，在彎道進口凹岸附近位置，水深均被抬高，此時凹凸岸水面差比原方案大，所以經計算所得α值為負值。水流流經彎頂斷面至彎道出口斷面后，從橫斷面10#、橫斷面14#可以看出，5種試驗方案均能較好地改善溢洪道內水流結構形態(tài)。當水流出彎段后，由于邊墻對水流的擾動影響，使得下游調整段內出現(xiàn)沖擊波，繼而在水體表面形成水波。觀測到橫斷面20#橫向凹凸岸水面差為負值，即此時水深凹岸低、凸岸高。而在5種試驗方案下橫向凹凸岸水面差α均為正值，其計算值均大于100%。綜合各典型橫斷面的水面差的降低率，方案5優(yōu)于方案1～4。

分析表3典型橫斷面水流均勻度，各試驗方案與原方案相比，除橫斷面6#的β值大于原方案，其余各斷面β值均小于原方案。說明在彎道進口段的水面結構改善效果較差，而在其余橫斷面的水流調整效果較好。計算方案5與原方案水流均勻度改善百分比可看出：在溢洪道彎道段內可以達到89%以上水面結構改善效果，方案5優(yōu)于其它試驗方案。

表3 典型橫斷面水流均勻度β

綜上所述，方案5比其他試驗方案效果更好。即在本文試驗因素條件下，導流墩布設位置和個數(shù)均可以一定程度地改善溢洪道內水面結構形態(tài)；單一形式導流墩布設于溢洪道凹岸處，其對彎道內水面結構改善效果不如導流墩和糙條聯(lián)合布置形式?？蔀閷嶋H工程設計提供經驗依據。

3.2 彎道段橫斷面最大水面差和最大水深位置比較

3.2.1 試驗方案橫斷面凹凸岸最大水面差 根據實測有無導流墩和糙條條件下，溢洪道彎道段各橫斷面凹凸岸最大水面差，經計算，取原方案和5種試驗方案各個橫斷面凹凸岸最大水面差的最大值，結果見圖3。

由圖3可以看到，各試驗方案橫斷面凹凸岸最大水面差較原方案有明顯降低。即說明單一導流墩布設和導流墩、糙條聯(lián)合布設形式均能一定程度地降低橫斷面凹凸岸的最大水面差。對比分析各試驗方案，方案1～4對橫斷面凹凸岸最大水面差降低效果不如方案5。對比原方案，方案5橫斷面凹凸岸最大水面差由8.8 cm降至3.6 cm，降低率達到59%。

圖3 各方案彎道橫斷面凹凸岸最大水面差

3.2.2 最大水面差及最大水深發(fā)生的位置 繪制不同試驗方案溢洪道彎道段凹凸岸水深沿程變化曲線圖，如圖4所示：原試驗方案溢洪道彎道段凹凸岸水深變化符合彎道水流基本運動規(guī)律，即凹岸水深大、凸岸水深淺。隨著水流在彎道中運動，凹凸岸水面差逐漸增大，在橫斷面14#位置達到最大值，此時凸岸水深幾乎為零。最大水深位置發(fā)生在橫斷面9#，即2/5彎道橫斷面。方案1～4為單一導流墩形式，觀察此4種方案對凹凸岸水深影響，其最大水面差位置依次為橫斷面14#、橫斷面13#、橫斷面13#和橫斷面9#。最大水深發(fā)生位置依次為橫斷面8#、橫斷面13#、橫斷面7#和橫斷面13#。同理，由方案5導流墩糙條聯(lián)合布置形式對最大水面差及最大水深發(fā)生位置影響，依次發(fā)生在橫斷面7#和橫斷面12#位置。5組不同方案對比原試驗方案可知，彎道橫斷面凹凸岸最大水面差及最大水深發(fā)生的位置都有所不同。說明在導流墩及糙條作用下，彎道段水流受到“前導”、“后消”作用，逼迫底層水流向彎道凸岸運動，表層水流指向凹岸，從而改變了原泄槽內水流的運動軌跡。記錄最大水面差和最大水深發(fā)生位置的頻率，1/5～2/5彎道橫斷面和4/5彎道橫斷面相鄰上下游位置可作為此類彎道水流流態(tài)問題較關鍵的研究斷面。

圖4 不同試驗方案彎道段橫斷面凹凸岸沿程水深變化

3.3 沿程水流動力軸線

水流動力軸線為各橫斷面最大縱向水深平均流速所在點連線的水平投影，又稱為主流線[14-15]。根據測量結果得到不同試驗方案的水流動力軸線，如圖5所示。

圖5 各方案水流動力軸線沿程變化圖

從圖5各方案動力軸線的位置變化可以明顯看出：由于水流進入彎道后受到離心力的作用，其動力軸線在整個彎道段均呈現(xiàn)向凸岸偏移的趨勢。然而不同試驗方案對應的水流動力軸線向凸岸偏移的位置不同。方案1～4彎道段的水流動力軸線位置較原方案變化不大，而方案5的動力軸線有向彎道中軸線偏移的趨勢，表現(xiàn)在上游進口段的動力軸線變化幅度較平緩，但在下游調整段內，5組方案水流動力軸線與原方案相比，原方案動力軸線主要位于距凹岸0.2B附近位置，各方案動力軸線則主要集中在距離凸岸0.2B～0.6B范圍內。說明加設導流墩或導流墩和糙條聯(lián)合布置形式均能較好地調整水流從彎道段流出以后的主流位置，使得水流向彎道中軸線位置偏移。不同試驗工況下，觀察整個模型中水流動力軸線位置變化，方案5優(yōu)于其他方案。即糙條聯(lián)合導流墩輔助消能工布設形式對整體水流動力軸線有更好的調整效果。

4 結 論

本文通過對R/B=2.2的60°彎段溢洪道進行模型試驗，得出如下主要結論：

(1)通過布置單一導流墩與糙條聯(lián)合導流墩輔助消能工對比研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合輔助消能工能夠更好地制約彎道環(huán)流的產生、改善水面流態(tài)、降低水面橫比降，并能夠有效地避免下游調整段沖擊波的形成。

(2)通過對不同試驗方案橫斷面凹凸岸最大水深及最大水面差發(fā)生頻率分析，得到加設輔助消能工后溢洪道1/5～2/5彎道橫斷面和4/5彎道橫斷面相鄰上下游位置發(fā)生頻率較大，且在糙條聯(lián)合導流墩輔助消能工試驗方案下橫斷面最大水面差降低率到了59%。因此，大流量情況下寬淺溢洪道1/5～2/5彎道橫斷面和4/5彎道橫斷面相鄰上下游位置可作為此類彎道較關鍵的斷面研究位置。

(3)對比原方案，5組試驗工況下的沿程水流動力軸線由原方案下距離凹岸0.2B附近位置向距離凸岸0.2B～0.6B范圍內偏移，且糙條聯(lián)合導流墩輔助消能工能夠更好地調整水流趨于彎道中軸線位置；相比同類輔助消能工，糙條聯(lián)合導流墩輔助消能工布置在彎道內更加節(jié)約工程造價，且施工較方便，可為實際工程設計提供理論參考依據。