跌坎深度對擴散式泄槽底流消能水力特性影響試驗研究

李 鑫，邱 勇，阮合春，余遠浩，張家鼎

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

消力池是工程中常用的消能工，主要靠消力池內(nèi)水體強烈紊動、剪切和混摻作用消能。突擴式跌坎消力池與常規(guī)底流消能工相比，其體型在橫向和豎向均有突擴，邊墻突擴增加了入池水流和主流兩側(cè)水體的摩擦和剪切[1]，跌坎加大了池內(nèi)水深,避免入池水流直接沖擊消力池底板。消力池體型和入池水流條件的改變均會影響水流流態(tài)，從而改變消力池局部或整體水力特性。已有文獻對影響跌擴型底流消能水力特性因素進行了大量研究：文獻[2]研究了跌坎高度、突擴比、入池弗勞德數(shù)、尾水深度對底板中軸線時均壓強的影響；文獻[3]研究成果表明，由于跌坎和突擴的存在，臨底流速和臨邊流速大大減小，消能效果提高；文獻[4]對多股跌擴型底流消能工建立三維數(shù)學(xué)模型，認為跌擴式底流消能工消能效果顯著，能有效解決高水頭、大單寬流量消力池力學(xué)指標(biāo)過高的力學(xué)問題。

以上研究均是針對等寬矩形泄槽、尾水渠與消力池等寬的突擴式跌坎消力池。在實際工程中，多數(shù)泄水建筑物采用擴散式泄槽，以減小消力池入池水流單寬流量，降低單位水體所具有的能量，緩解下游消力池消能壓力，因而針對擴散式泄槽，對消力池內(nèi)水力特性影響進行研究具有很強的工程實用價值。

1 試驗方案及模型布置

1.1 研究內(nèi)容及方案

泄槽擴散角太大，水流容易脫離邊界，擴散角太小則達不到降低單寬流量的目的，工程上所采用的擴散角通常不大于3°。故通過水工模型試驗，基于擴散角為3°的擴散式泄槽，通過改變消力池深度，研究突擴式消力池水力特性。試驗方案選擇如下：方案一,跌坎深度T=5 cm；方案二,跌坎深度T=10 cm；方案三,跌坎深度T=15 cm。試驗測試了不同方案下3組流量(Q=9、12、15 L/s)消力池底板的時均壓強、脈動強度和臨底流速。

1.2 模型布置

模型控制段為WES實用堰，最大水頭2.40 m，消力池進口接擴散角α=3°、底坡i=1∶1.5的擴散式泄槽，泄槽由15 cm 擴散到20 cm；消力池突擴比(消力池寬度比泄槽末端寬度)為1.75，池長95 cm；出口尾水渠設(shè)置為平坡，寬度為20 cm，見圖1。消力池底板測點對稱布置，一共5行5列、25個測點，見圖2。

a)平面

b)立面圖1 消力池體型(mm)

圖2 測點布置示意(mm)

2 水流流態(tài)及結(jié)構(gòu)分區(qū)

2.1 擴散式泄槽水流流態(tài)

在泄槽擴散段，受水流慣性作用，主流靠近軸線中部，擴散區(qū)域內(nèi)的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：擴散段起始斷面(溢0+09.435 m)和擴散段末端斷面(溢0+09.935 m)處水深分布較為均勻，但在擴散段中部A-A斷面(溢0+09.685 m)處，左、中、右水深差值明顯(表1)。此外，擴散段水流橫斷面流速分布也呈中間高、兩側(cè)低。

表1 擴散段橫斷面(溢0+09.685 m)水深分布

2.2 消力池水流結(jié)構(gòu)分區(qū)

為便于分析，根據(jù)消力池水流流態(tài)，將消力池水流結(jié)構(gòu)劃分為：淹沒射流、底部漩渦、沖擊區(qū)、附壁射流、補償流區(qū)、表面漩滾(圖3)。

a)水流結(jié)構(gòu)立面

b)水流結(jié)構(gòu)平面圖3 消力池水流結(jié)構(gòu)分區(qū)

a) 淹沒射流：射流進入消力池后，在池內(nèi)水體的頂托下形成擴散狀淹沒射流。

b) 底部漩渦：在淹沒射流的吸卷作用下，淹沒射流下部形成底部漩渦。

c) 沖擊區(qū)：射流沖擊到底板的區(qū)域。入射水流進入消力池，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強度稍弱的潛射水流。

d) 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，在尾水進口底部主流下方可觀察到明顯的橢圓狀橫軸漩滾。

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

f) 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，受淹沒射流影響，形成向消力池進口方向涌動的表面漩滾。

消力池內(nèi)水流流態(tài)隨跌坎深度變化和流量增減而改變：消力池中產(chǎn)生遠驅(qū)式底流流態(tài)和淹沒型底流流態(tài)。對于工程設(shè)計而言，應(yīng)促使其盡量產(chǎn)生淹沒型底流流態(tài)(圖3a)。經(jīng)過擴散式泄槽的下泄水流，由于不能很好地沿邊墻擴散，主流集中于軸線位置，進入消力池后形成較為典型的三元流，沿泄槽邊墻方向的水流撞擊邊墻后流向改變，與回淹水流共同作用，形成沿邊墻向上的上涌水突；主流沖擊底板后，沿消力池底板形成的附壁射流向下游急速流動，由于尾坎攔阻向上涌出，在消力池尾部角隅處形成明顯水突(圖3b)。

3 試驗成果分析

3.1 臨底流速

底流消能工應(yīng)用于高水頭、大單寬流量泄洪工程時，作用在消力池底板的臨底流速往往較大，在脈動作用下，直接影響消力池底板的穩(wěn)定，容易造成消力池底板破壞[5]。通過試驗測試，得到消力池底板射流沖擊區(qū)附近(測點2)臨底流速(表2)以及消力池底板軸線各測點臨底流速(圖4)。

表2 沖擊區(qū)附近流速

從表2可知：隨跌坎深度加大，消力池底板射流沖擊區(qū)附近臨底流速下降明顯，最大降幅接近30%。

由圖4可以看出，不同流量情況下，消力池底板沖擊區(qū)下游沿程臨底流速均隨跌坎深度增加而減小。Q=15 L/s情況下，跌坎深度T=5 cm(方案一)時消力池底板臨底流速最大(沖擊區(qū)測點流速達2.857 m/s)；跌坎深度增加至10 cm時，消力池底板沖擊區(qū)測點臨底流速下降到2.310 m/s，降幅為19.1%；跌坎深度進一步增加到15 cm時，消力池底板沖擊區(qū)測點臨底流速繼續(xù)下降，但降幅僅為10.1%。

a)Q=9 L/s

b) Q=12 L/s

c) Q=15 L/s圖4 消力池底板軸線測點臨底流速

3.2 消力池底板動水壓強

3.2.1時均壓強

作用在消力池底板上的時均壓強表征消力池底板總體受力情況，是造成消力池底板破壞的重要原因[6]。根據(jù)試驗，測得消力池底板軸線測點時均壓強(表3)，考慮到跌坎深度增加，消力池底板時均壓強隨之增加。為便于比較，以方案一消力池底板為基準(zhǔn)，將方案二和方案三底板測點壓強進行扣減處理，得到扣除消力池內(nèi)靜水深度增加值后的底板時均壓強值。

表3 消力池底板軸線測點時均壓強

從上表可以看出：不同流量下，方案一射流沖擊區(qū)位于0-1與0-2測點之間，入池水股落點距測點0-2約13 cm，相對于射流下方的測點0-1，測點0-2時均壓強稍大；由于流速衰減，沿底部潛流方向，底板時均壓強逐漸回升。方案二射流沖擊區(qū)下移，入池水股落點距測點0-2約6 cm，由于部分疊加了射流流速水頭，測點0-2時均壓強有所增加。方案三射流沖擊區(qū)位于測點0-2稍下游側(cè)，由于流速水頭疊加明顯，致使0-2測點的時均壓強最大；由于池深加大，下游回淹水流前移，消力池靠近出口的水面回落，底板0-4、0-5測點時均壓強相對于方案二，反而出現(xiàn)下降。

結(jié)合消力池內(nèi)水流流態(tài)進行分析，Q=15 L/s情況下，擴散段末端斷面(溢0+009.935 m斷面)平均水深2.22 cm，跌坎深度5 cm(方案一)時，消力池內(nèi)水流流態(tài)已經(jīng)出現(xiàn)遠驅(qū)式水躍，淹沒度僅為0.69，射流在消力池內(nèi)呈急速流動，底板測點壓強明顯偏?。坏采疃仍黾拥?0 cm(方案二)時，消力池內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的淹沒水躍(躍后斷面基本位于消力池出口)，淹沒度1.06，消力池內(nèi)水深增加(h″=33 cm)，臨底流速降低，時均壓強明顯增大；跌坎深度繼續(xù)增加到15 cm(方案三)時，消力池內(nèi)淹沒度繼續(xù)增加(淹沒度1.10)，消力池內(nèi)水深有所增加，臨底流速繼續(xù)減小，但由于躍后斷面前移(距離消力池出口12 cm)，受躍后水深跌落影響，在底板測點沿程壓力分布圖中，方案三中的測點0-4、0-5時均壓強均低于方案二(圖5)。

a)Q=9 L/s

b)Q=12 L/s

c)Q=15 L/s圖5 消力池軸線時均壓強

整體而言，相同流量下，除0-2測點外，跌坎深度由5 cm增加至10 cm時，時均壓強的增加幅度明顯大于跌坎深度由10 cm增加至15 cm。根據(jù)試驗測試，得到消力池底板臨邊時均壓強(圖6)。

a)Q=9 L/s

b)Q=12 L/s

c)Q=15 L/s圖6 消力池臨邊時均壓強

由圖6可以看出，相同下泄流量情況下，不同方案消力池底板臨邊時均壓強的整體變化規(guī)律與消力池底板軸線時均壓強類似，同樣容易看出：跌坎深度由5 cm增加至10 cm時，時均壓強的增加幅度明顯大于跌坎深度由10 cm增加至15 cm。

3.2.2脈動壓強

脈動壓強的存在，增加了泄流邊界的局部瞬時荷載，提高了對結(jié)構(gòu)物的強度要求[7]，它的變化可能造成結(jié)構(gòu)物發(fā)生失穩(wěn)、斷裂破壞[8]。因此，消力池荷載設(shè)計時應(yīng)考慮脈動壓強的影響。試驗測試了動水壓強的脈動情況，以分析消力池底板壓力脈動(圖7、8)。

圖7可知，相同方案情況下，隨流量增加，消力池底板脈動強度值增加。相同流量情況下(Q=9 L/s)，隨跌坎深度增加，消力池內(nèi)沖擊區(qū)附近(0-2測點)的脈動強度逐漸減小，但方案二(跌坎深度10 cm)較方案一(跌坎深度5 cm)的脈動強度降幅明顯大于方案三(跌坎深度15 cm)較之方案二的降幅：跌坎深度5 cm時沖擊區(qū)附近測點(0-2)脈動強度為0.527，跌坎深度增加為10 cm時沖擊區(qū)附近測點脈動強度(0.405)降幅達到23.1 %，明顯大于跌坎深度繼續(xù)增加到15 cm時的脈動強度(0.347)降幅(14.3%)。

a)Q=9 L/s

b)Q=12 L/s

c)Q=15 L/s圖7 軸線測點脈動強度

隨流量增加，沖擊區(qū)范圍不斷擴大；同時隨跌坎深度的增加，射流沖擊落點不斷后移，致使Q=12、15 L/s時，不同跌坎深度情況下，0-2測點脈動強度變化不大，但數(shù)值相對于Q=9 L/s有所上升，沖擊區(qū)下游側(cè)沿程測點脈動強度明顯下降并漸趨均勻。

從圖8可以看出，沖擊區(qū)附近脈動壓強在垂直水流方向上呈“凸”型分布，由軸線向消力池兩側(cè)邊墻遞減；且底板脈動壓強數(shù)值橫水流方向的分布沿程漸趨均勻，強度逐漸降低，軸線測點下降更為明顯。

a)2號測點

b)3號測點

c)4號測點

d)5號測點圖8 橫水流方向底板壓強脈動壓強(Q=12 L/s)

4 結(jié)論

水流條件是影響水力特性的重要因素。本文通過水工模擬試驗，改變跌坎深度對擴散式泄槽突擴式底流消力池水力特性進行研究，得到以下結(jié)論：跌坎深度為5 cm時，消力池內(nèi)水流流態(tài)介于臨界水躍向遠驅(qū)式水躍過渡區(qū)間，不能形成有效淹沒，射流在消力池內(nèi)呈急速流動，臨底流速最大，時均壓強最小；跌坎深度增加至10 cm時，消力池能夠形成穩(wěn)定的淹沒，池內(nèi)水深增加，臨底流速減小，時均壓強升高；跌坎深度進一步增加至15 cm時，消力池內(nèi)淹沒程度雖繼續(xù)增加，臨底流速進一步減小，底板沿程時均壓強先增加后減小，但變幅減小。

綜上所述，跌坎深度10 cm已能滿足要求，繼續(xù)加大跌坎深度，消力池內(nèi)水力特性變化不再明顯。在開挖深度受限時，試驗研究成果經(jīng)幾何比尺放大后，可用于實際工程設(shè)計參考。