突擴(kuò)底流消力池跌坎深度對(duì)池長(zhǎng)的影響研究

阮合春，邱 勇，羅國(guó)立，湯之飛，楊澤文

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

隨著水資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，可供泄水建筑物選擇的出口地形、地質(zhì)條件越來(lái)越難于滿(mǎn)足樞紐布置的要求：一是工程地質(zhì)條件不允許采用挑流消能，二是狹窄陡峻的地形條件難于滿(mǎn)足底流消能對(duì)池長(zhǎng)的要求。對(duì)此，通常能夠采用的工程措施就是在泄水建筑物的出口段設(shè)置擴(kuò)散段，再輔之于邊墻突然擴(kuò)大，形成突擴(kuò)型底流消能。由于泄槽擴(kuò)散段的存在，一定程度上降低了出口單寬流量，能夠有效減輕下游消能壓力，同時(shí)下游水深所形成的淹沒(méi)，由于消力池邊墻的突然擴(kuò)大，受主流兩側(cè)反向回流和側(cè)向旋滾作用，能夠更好地消除泄水建筑物下泄水體所具有的能量。此時(shí)，增設(shè)跌坎，可以延長(zhǎng)入射水流射程，增加水體間的摻混、摩擦、剪切，進(jìn)一步改善消力池底板的力學(xué)指標(biāo)，客觀上降低對(duì)消力池池長(zhǎng)的要求。

1 試驗(yàn)方案及模型布置

1.1 研究?jī)?nèi)容及方案

對(duì)于高速水流，泄槽擴(kuò)散角太大，水流容易脫離邊界，擴(kuò)散角太小則達(dá)不到降低單寬流量的目的，工程上通常采用3°擴(kuò)散角。建議消力池突擴(kuò)比1.75(跌坎深度10cm)。依托水工模型試驗(yàn)，在擴(kuò)散角為3°的擴(kuò)散式泄槽、消力池邊墻突擴(kuò)寬度為35cm的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變消力池跌坎深度，對(duì)突擴(kuò)式消力池水力特性進(jìn)行研究，以探求其對(duì)消力池池長(zhǎng)的影響。試驗(yàn)方案如下：方案一：跌坎深度T=5cm；方案二：跌坎深度T=10cm；方案三：跌坎深度T=15cm。

試驗(yàn)研究了不同方案下三組流量(Q=9L/s、Q=12L/s、Q=15L/s)消力池內(nèi)水流的紊動(dòng)情況，同時(shí)測(cè)試了消力池底板的臨底流速、脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差等水力特性。

1.2 模型布置

模型采用有機(jī)玻璃制作而成，控制段為WES實(shí)用堰，最大水頭2.40m，消力池進(jìn)口接擴(kuò)散式泄槽，擴(kuò)散角α=3°、底坡i=1∶1.5，泄槽寬由15cm擴(kuò)散到20cm，平距0.50m；消力池突擴(kuò)比(消力池寬度比泄槽末端寬度)為1.75，池長(zhǎng)為95cm；出口尾水渠設(shè)置為平坡，寬度為20cm，如圖1所示。

圖1 消力池結(jié)構(gòu)體型圖(單位：mm)

2 試驗(yàn)成果分析

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)、表面漩滾，如圖2所示。

圖2 消力池水流結(jié)構(gòu)分區(qū)圖

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。

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。

沖擊區(qū)：射流沖擊到底板的區(qū)域。入射水流進(jìn)入消力池，受底板約束，流線(xiàn)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。

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。

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。

表面漩滾：回淹水流與兩側(cè)邊墻附近不斷向消力池軸線(xiàn)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。

結(jié)合消力池內(nèi)水體紊動(dòng)程度，將消力池內(nèi)水流流區(qū)分為強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)和弱紊動(dòng)區(qū)：強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)水體混摻、摩擦、剪切作用明顯，射流動(dòng)能衰減大；弱紊動(dòng)區(qū)水體相對(duì)平穩(wěn)，幾呈透明狀，可見(jiàn)含氣型水珠向上出逸。

通過(guò)試驗(yàn)觀察，將消力池內(nèi)水流紊動(dòng)顯著減輕的表面旋滾下緣作為強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)和弱紊動(dòng)區(qū)的分界，弱紊動(dòng)區(qū)水體沒(méi)有明顯向上游方向回淹。

針對(duì)泄槽射流受淹沒(méi)水體作用，消力池后段流速衰減明顯的情況，在消力池近出口段底板沿軸線(xiàn)等間距(58mm)布設(shè)9個(gè)測(cè)點(diǎn)，上游至下游編號(hào)依次為：0- 1、0- 2、0- 3、0- 4、0- 5、0- 6、0- 7、0- 8、0- 9，其中0- 1測(cè)點(diǎn)位于消力池中部1/2池長(zhǎng)位置，如圖3所示。

圖3 消力池底板測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：mm)

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(xiàn)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(xiàn)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，擴(kuò)散段橫斷面溢0+09.685m水深分布見(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。

“糖人國(guó)的糖龍？那你來(lái)我房間干嗎？快說(shuō)實(shí)話(huà)，不然我就把你吃掉！”唐小果盯著糖龍，用舌頭舔著嘴唇威脅道。

表1 擴(kuò)散段橫斷面(溢0+09.685m)水深分布

擴(kuò)散段水流流態(tài)及沿程橫斷面水深分布表明：試驗(yàn)所采用的3°擴(kuò)散角能夠兼顧擴(kuò)散式泄槽的水流流態(tài)和泄槽出口單寬流量的降低。

2.3 消力池水流紊動(dòng)變化

相同跌坎深度情況下，隨下泄流量增加，消力池內(nèi)水體紊動(dòng)程度加劇，躍后斷面下移，弱紊動(dòng)區(qū)的長(zhǎng)度明顯減小，表明消力池長(zhǎng)度需要相應(yīng)增加。

根據(jù)試驗(yàn)觀察，Q=9L/s、12L/s、15L/s流量下消力池內(nèi)弱紊動(dòng)區(qū)域長(zhǎng)度見(jiàn)表2。

表2 消力池弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度 單位：cm

由表2可知，三組試驗(yàn)流量下，消力池內(nèi)水流流態(tài)隨跌坎深度均變化明顯，跌坎深度增加時(shí)，附壁射流和回淹水流摻混形成的上涌水突和表面漩滾尺度弱化，一定程度上表現(xiàn)為底流水躍淹沒(méi)程度增加，消力池內(nèi)水體強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)不斷向泄槽方向后縮，弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度相應(yīng)增大，消力池出口尾水流態(tài)改善明顯。由此可以認(rèn)為，入射水體動(dòng)能主要消耗于強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)域，弱紊動(dòng)區(qū)域的長(zhǎng)度變化和池長(zhǎng)關(guān)系明顯。

相同下泄流量情況下，隨跌坎深度的增加，消力池內(nèi)水體混摻、剪切、摩擦作用強(qiáng)化，射流流速衰減明顯，消力池內(nèi)水流強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度減小，弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度增大。跌坎深度為5cm時(shí)(Q=15L/s)，消力池水體介于臨界水躍向遠(yuǎn)驅(qū)式水躍過(guò)渡區(qū)間，射流在消力池內(nèi)幾呈急速流動(dòng)，出池主流基本沿尾坎出射，消力池內(nèi)弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度最小，僅為1.5cm；跌坎深度增加至10cm時(shí)，由于底板高程降低，盡管淹沒(méi)射流射程有所增加，但附壁射流流速降幅增大，消力池內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的淹沒(méi)，弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度增大到8.5cm；跌坎深度進(jìn)一步增加至15cm時(shí)，受水深加大影響，入射水流在沖擊區(qū)附近流速即出現(xiàn)降低，水體紊動(dòng)進(jìn)一步減弱，消力池內(nèi)水體弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度可達(dá)12.0cm。

2.4 消力池射流沖擊力

水流沖擊力是由于水流的質(zhì)量及流速而產(chǎn)生的，其大小是消力池發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵因素，對(duì)消力池的力學(xué)指標(biāo)有很大影響。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得到各測(cè)點(diǎn)位置的流速，應(yīng)用動(dòng)量方程計(jì)算得到不同跌坎深度下消力池內(nèi)各測(cè)點(diǎn)射流沖擊力，見(jiàn)表3。

各測(cè)點(diǎn)射流沖擊力分布如圖4所示。

表3 消力池底板測(cè)點(diǎn)射流沖擊力計(jì)算成果

注：射流沖擊力的正方向?yàn)槠叫杏诘装逯赶蛳掠巍?/p>

圖4 消力池射流沖擊力分布

由圖4可知，不同流量、不同跌坎深度情況下，射流沖擊力沿程均呈“先陡后緩”的下降趨勢(shì)。相同跌坎深度，隨流量的增加，射流沖擊力“陡降段”范圍向出口方向前移的同時(shí)，沿程分布漸趨均勻化，消力池內(nèi)水流紊動(dòng)相應(yīng)增強(qiáng)；相同下泄流量，隨跌坎深度增加，同一測(cè)點(diǎn)射流沖擊力均有不同程度的下降，近消力池出口處的數(shù)值更為接近，表明跌坎深度的增加，能夠改善消力池內(nèi)水流流態(tài)。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Q=15L/s、跌坎深度5cm時(shí)，靠近消力池出口的測(cè)點(diǎn)0- 9位置近為強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)與弱紊動(dòng)區(qū)的臨界點(diǎn)。此時(shí)，根據(jù)計(jì)算得到的測(cè)點(diǎn)0- 9位置射流沖擊力為0.0035kN(v=0.3m/s)。因此，將0.0035kN作為射流沖擊力基準(zhǔn)值研究其沿程衰減情況。

采用線(xiàn)性?xún)?nèi)插法可以得到：當(dāng)流量Q分別為9L/s、12L/s、15L/s，跌坎深度5cm時(shí)，射流沖擊力從消力池中部測(cè)點(diǎn)(0- 1)衰減至基準(zhǔn)值0.0035kN的距離依次為24.2cm、34.1cm、46.5cm；跌坎深度增加到10cm時(shí)，射流沖擊力從消力池中部測(cè)點(diǎn)衰減至基準(zhǔn)值0.0035kN的距離依次為18.7、29.7、39.4cm；跌坎深度進(jìn)一步增加到15cm時(shí)，射流沖擊力從消力池中部測(cè)點(diǎn)衰減至基準(zhǔn)值0.0035kN的距離依次為11.6cm、25.1cm、34.8cm。亦即，跌坎深度的增加，客觀上減輕了射流沖擊力對(duì)消力池底板的作用。

同時(shí)，可得到不同方案下強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)(附壁射流)與弱紊動(dòng)區(qū)的臨界位置及弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度，弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度見(jiàn)表4。

表4 消力池弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度 單位：cm

比較表4和表2可以看出，通過(guò)動(dòng)量方程計(jì)算射流沖擊力得到的消力池弱紊動(dòng)區(qū)域長(zhǎng)度能夠和試驗(yàn)觀測(cè)現(xiàn)象吻合。

2.5 消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差

脈動(dòng)壓強(qiáng)具有瞬時(shí)離散性，能很好的反映水體的波動(dòng)程度，脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差變小，說(shuō)明水流趨于平穩(wěn)。對(duì)其進(jìn)行分析，常采用統(tǒng)計(jì)分析中的標(biāo)準(zhǔn)差作為脈動(dòng)壓強(qiáng)的主要幅值特征。

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)脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差的分布情況，見(jiàn)表5。

同樣，在Q=15L/s、跌坎深度5cm情況下，以測(cè)點(diǎn)0- 9的脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差0.168作為基準(zhǔn)值進(jìn)行比較分析，由表2可以看出消力池底板測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差分布規(guī)律和臨底射流沖擊力的分布規(guī)律基本一致。

各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差分布特征如圖5所示。

由圖5可知，在相同下泄流量情況下，跌坎深度增加，底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差降低明顯，Q=15L/s時(shí)，跌坎深度由5cm增加至10cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)0- 1的脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差從0.599降低至0.512，降幅14.5%；跌坎深度進(jìn)一步增加至15cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)0- 1的脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差繼續(xù)降低至0.388，降幅24.2%，

表5 消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差

圖5 消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差分布

且沿程分布漸趨均勻，表明消力池內(nèi)消能之后的水體沿程逐漸趨于平穩(wěn)。

采用線(xiàn)性?xún)?nèi)插法分析不同流量、不同跌坎深度下底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差從消力池中部測(cè)點(diǎn)(0- 1)沿程衰減至基準(zhǔn)值0.168的距離，對(duì)比弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度的變化，與通過(guò)射流沖擊力計(jì)算、水流紊動(dòng)情況觀測(cè)得到的數(shù)值基本吻合。

3 結(jié)論

通過(guò)水工模型試驗(yàn)，結(jié)合消力池內(nèi)水流紊動(dòng)情況、臨底射流沖擊力以及底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差，研究一定邊墻突擴(kuò)寬度條件下，擴(kuò)散式 泄槽消力池跌坎深度對(duì)池長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，不同流量情況下，增加跌坎深度均可在一定程度上減小消力池長(zhǎng)度，當(dāng)Q=12L/s、跌坎深度為5cm時(shí)，弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度約14cm；跌坎深度增加至10cm時(shí)，弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度約18cm；跌坎深度繼續(xù)增加至15cm時(shí)，弱紊動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度約23cm。在地形條件受限的情況下，可以考慮通過(guò)增加跌坎深度來(lái)減小消力池長(zhǎng)度，以滿(mǎn)足樞紐布置要求。