壩庫工程放水塔流態(tài)變化與泄流量規(guī)律研究

權 萌

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局，陜西 咸陽 712000）

1 概述

放水塔與豎井溢洪道相似，是一種取放水穩(wěn)定、防淤堵性能好的小型泄水建筑物，同時具備結構簡單、建造難度小、使用壽命長等優(yōu)點，按照體型一般分為矩形和圓形塔式結構，進水方式有單面進水和多孔進水。由于壩庫工程蓄水攔沙的作用易造成庫內(nèi)泥沙淤積，所以選擇放水塔作為其泄水建筑物。放水塔取代早期的臥管，主要應用于我國黃土高原地區(qū)的淤泥庫中，區(qū)別于應用在水庫中的放水塔，對泄水量要求不高，采用多級式進水，在塔身不同高度處設置多個進水口。國外關于此類放水塔研究較少，目前我國壩庫工程中已建成的淤地壩可達16萬余座，但是國內(nèi)研究對高壩大流量泄水建筑物較為重視，從而忽視了低水頭小流量類型的水工特性研究，因此在放水塔建造設計和加固維護中，水工設計人員對放水塔的水流流態(tài)及各水力參數(shù)缺乏參考數(shù)據(jù)。本文針對國內(nèi)使用最多的多級取水式放水塔設計試驗模型，并對該模型進行流態(tài)變化分析和泄流量變化規(guī)律研究。

2 模型設計及量測

為保證模型試驗結果能擬合實際流態(tài)和泄流量規(guī)律，要求模型邊界條件與實際工程相似，整個試驗系統(tǒng)包含供水系統(tǒng)、試驗模型、量水堰和尾水池四部分，混凝土糙率為0.014，為便于觀察，選用糙率約為0.008的有機玻璃制作水工單體模型。模型體型參數(shù)按照重力相似準則設計，該模型的各物理量比尺見表1。

表1 多級式放水塔模型各物理量比尺表

由于壩庫工程中普遍使用多級放水塔，在模型的塔身上開設了5級進水口和一個出水口，開口形狀俱為上下半徑0.3 m的1/4圓弧與左右直線相連接組成，進水口按高度從上至下依次為上4孔、上3孔、上2孔、上1孔和底孔，尺寸為1.2 m×1.2 m，底孔與出水口的軸線在同一高度上，距塔底1.5 m，出水口尺寸為1.05 m×1.5 m。放水塔內(nèi)徑為3 m，塔后接無壓城門洞型放水洞，坡比為1%，尺寸為1.5 m×1.8 m，其中直墻高1.05 m，洞頂通氣孔直徑為0.24 m。為研究塔內(nèi)在不同角度處進水流態(tài)的變化，對進水口與出水口角度位置做0°、30°、60°、90°四種布置。模型基本體型見圖1。

圖1 模型體型示意圖

試驗中采用矩形水箱模仿庫區(qū)環(huán)境，水箱內(nèi)水用水泵與地下水庫形成進行循環(huán)使用，在進口處設置閘門調節(jié)庫水位，利用穩(wěn)水柵控制水流，使其平穩(wěn)流入放水塔。放水塔內(nèi)流態(tài)的變化通過有機玻璃可直接觀察，因試驗時泄流量較小，在量水堰形態(tài)上選擇直角三角形，對于消能井和放水洞內(nèi)的水位采用直尺測量，水面線波動較大時控制誤差在±5 mm以內(nèi)。

3 流態(tài)變化

放水塔內(nèi)流態(tài)變化不僅影響其泄流能力，還會出現(xiàn)強水流沖擊，威脅放水塔的穩(wěn)定性。試驗在不同進水角度和高度下，觀察放水塔的進水口、消能井和放水洞的流態(tài)變化，分析得出變化時的臨界水力條件。

3.1 進水口流態(tài)變化

觀察進水口處流態(tài)，見圖2，分為堰流和閘孔出流，設水面到進水口底坎的高度為H，試驗中進水口高度h，試驗表明：當時為堰流，不影響泄流能力；當時為閘孔出流，隨著水頭增大塔內(nèi)水位上升，直至淹沒進水口底部，此時為淹沒出流，放水塔泄流能力降低。

分別觀察上部進水口和底部進水口的流態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)上部進水口與出水口的夾角變化對進水口處流態(tài)影響不大，但隨著的數(shù)值發(fā)生變化，水流狀態(tài)不斷發(fā)生變化。具體變化為（見圖2）：當水頭時，水流自由跌落至塔底消能井內(nèi)；當水頭處于時，水流沖擊塔壁，沖擊的位置隨水頭的升高上升，水流卷入空氣沖擊塔壁的力度隨庫水位的升高而加大，引起塔身劇烈震動；當時，水流沖擊塔壁的位置穩(wěn)定于進水口高度處，水流沖擊塔壁后跌落中卷入大量氣體，同時使下落水流和井內(nèi)水墊摻氣，水流跌落于消能井底后反彈，沿井壁回升與下落水流發(fā)生碰撞，此時塔壁周圍有充氣低速水流環(huán)繞，不會發(fā)生空蝕現(xiàn)象。本試驗中R為放水塔半徑。

圖2 上部進水口流態(tài)示意圖

在觀察底部進水口處流態(tài)時，發(fā)現(xiàn)改變進、出水口軸線夾角，底孔進水口處水流流態(tài)存在明顯差異，見表2。

表2 底孔進水時流態(tài)隨進出水口夾角的變化規(guī)律

3.2 放水塔內(nèi)流態(tài)變化

水流經(jīng)上部進水口或底部進水口流入時，水頭和進出水口軸線角度的變化對消能井水流產(chǎn)生影響，以上部進水口以上2孔為例，觀測結果見圖3~圖4。

圖3 塔內(nèi)水位隨角度的變化規(guī)律（上2孔）

圖4 塔內(nèi)水位隨水頭的變化規(guī)律（上2孔）

由圖3可知，上部進水口處于同一水頭，但進、出水口軸線夾角不同，塔內(nèi)水位H"/R基本不變，角度變化對水位影響微小；由圖4可知不同角度下水位都隨著水頭的升高上升，且變化曲線相似。

底部進水口因其高度與出水口位置一致，所以底部進水口與出水口夾角變化對消能井內(nèi)流態(tài)影響較大，由圖5可知同一水頭下，水位隨著底孔與出水口軸線夾角增大而上升，水面越平穩(wěn)；不同夾角下水位隨著水頭升高的變化規(guī)律見圖6，夾角越大，塔內(nèi)水位上升速度越快，當夾角為0°時，此時進出口和出水口處于同一軸線，水頭增加但塔內(nèi)水位依然不變，水面波動隨水頭增大而增大。而夾角不為0°時，水流經(jīng)過進水口后沖擊塔壁，逆時針旋轉落下，導致水流不能及時泄出，放水塔泄流能力降低，水位隨之升高。

圖5 塔內(nèi)水位隨角度的變化（底孔）

圖6 塔內(nèi)水位隨水頭的變化（底孔）

3.3 放水洞內(nèi)流態(tài)變化

水流通過消能井充分消能后流入放水洞，觀察水流進入放水洞內(nèi)流態(tài)變化，在洞口為乳白色水汽混合物，流速較大，水面波動大但水深較淺，在水流動過程中，水中氣體逐漸溢出，洞內(nèi)水面趨于平緩，水深逐漸增加。試驗發(fā)現(xiàn)當水流經(jīng)過放水洞時，隨著進水口與出水口軸線夾角和的變化，洞內(nèi)流態(tài)變化會出現(xiàn)明滿流交替或水流擊打洞頂?shù)惹闆r，見表3。

表3 放水洞內(nèi)流態(tài)變化情況

由表3可知，隨著進水口與出水口軸線夾角增大，易出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象，為改善流態(tài)可采取增加洞內(nèi)斷面面積；水流經(jīng)上部進水口進入與通過底孔進入相比較，得出隨著水頭的增大放水洞內(nèi)水面劇烈波動，出現(xiàn)擊打洞頂?shù)那闆r，可適當設置進口處壓坡的坡度緩解此流態(tài)。

4 泄流量變化規(guī)律

根據(jù)放水塔在工程中的應用要求，從兩個方面研究泄流量的變化規(guī)律及影響因素。

1）分別觀察在進水口與出水口軸線夾角為0°和90°時，水流從不同高度的進水口流入時對泄流量的影響，結果見圖7。

由圖7可知：夾角為0°時，各進水口泄流量隨著水頭的增加而減小，變化趨勢基本一致；夾角為90°時，由于淹沒出流的原因，在同一水頭時底孔的泄流量明顯小于上部進水口，各孔泄流量都隨著水頭的增大而有所減小。

圖7 各孔泄流量隨水頭的變化關系

2）觀察泄流量隨水頭的變化關系，得出進水口與出水口軸線角度變化對泄流量的影響，由于上部進水口的角度變化對塔內(nèi)水位影響很小，選擇以上2孔代表上部進水口，研究進水口角度對泄流量的影響。

由8圖可知，上2孔的泄流量隨水頭的變化曲線在四種角度下，泄流量隨著水頭的增大而減小，基本可以擬合為一條曲線，夾角的變化基本不對泄流量產(chǎn)生影響；當水頭一致時，底孔與出水口軸線的夾角越大，底孔的泄流量越小。

圖8 泄流量隨水頭的的變化規(guī)律

5 流量系數(shù)的變化規(guī)律

由流態(tài)和泄流量變化的分析結果可得出流量系數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理出堰流流量系數(shù)m隨底坎水頭的變化曲線，見圖9。

進水口與出水口軸線夾角為0°時，水流通過各進水口流入的流量系數(shù)與水頭的變化趨勢相似，擬合曲線表達式為：

m=0.4676（H/R）0.3847（h/H＞0.75）

進水口與出水口軸線夾角為90°時：上部進水口進水時流量系數(shù)m1、底孔進水時的流量系數(shù)m2隨水頭的變化曲線計算表達式為：

圖9 堰流流量系數(shù)隨水頭的變化規(guī)律

對閘孔出流中自由出流的流量系數(shù)進行研究，閘孔出流流量系數(shù)在進水口與出水口軸線夾角為0°和90°時，隨水頭變化的曲線見圖10、圖11。

圖10 孔流流量系數(shù)隨水頭的變化規(guī)律（0°）

圖11 閘孔自由出流流量系數(shù)隨水頭變化規(guī)律（90°）

進水口與出水口軸線夾角為0°時，由圖10中流量系數(shù)變化曲線可知，得出閘孔自由出流的流量系數(shù)表達式如下：

進水口與出水口軸線夾角為90°時，上部進水口進水時均為閘孔自由出流，其流量系數(shù)隨水頭變化曲線見圖11，流量系數(shù)可近似表達為：

因淹沒出流時對流量系數(shù)的影響因素過多，受試驗條件限制不對淹沒出流的情況進行研究。

6 結語

（1）通過對放水塔不同進水口處的流態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)在試驗水頭范圍內(nèi)，進、出水口軸線的夾角對上部進水口的流態(tài)和塔水位影響很小，此時上部進水口均為自由出流，水面波動隨著水頭的增大而增大；但底部進水口在夾角為30°、60°、90°時，出現(xiàn)了淹沒出流，且夾角越大塔水位上升越快。

（2）在水頭為2.0≤H/R≤3.2時，經(jīng)上部進水口射入的水流沖擊塔壁，塔身振動，當H/R＞3.2時，沖擊點固定，下泄的水流不會對放水塔形成空蝕現(xiàn)象。

（3）放水洞內(nèi)出現(xiàn)流態(tài)較差臨界條件為：底孔進水，進、出水口軸線夾角為0°，水頭為3.2；上部進水口進水，進、出水口軸線夾角為90°，水頭在4.2到5.5之間。可通過適當增加放水洞內(nèi)斷面面積，或進口處壓坡設置坡度緩解此流態(tài)。

（4）進、出水口軸線夾角對上部進水口泄流量基本無影響，但對底部進水口泄流量影響較大，隨著水頭的增大，泄流量減小，且夾角越大減小的速度越快。

（5）在進水口為堰流時，其流量系數(shù)隨水頭的變化均為指數(shù)曲線，當進水口為閘孔自然出流時，可將曲線分為1.07≤H/R≤3.2和H/R＞3.2兩段，開始流量系數(shù)μ隨水頭變化曲線呈指數(shù)圖像，而在H/R＞3.2時，流量系數(shù)趨近于常數(shù)0.615。