糙條消能工對(duì)彎道水流動(dòng)能調(diào)整試驗(yàn)研究

張紅紅，牧振偉，李凡琦，賈萍陽(yáng)

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

彎道溢洪道可充分利用地形并節(jié)省工程量，但由于帶有轉(zhuǎn)角，當(dāng)水流進(jìn)入彎道時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些不同于直段河道水流的水力現(xiàn)象，彎道的存在，會(huì)導(dǎo)致彎道環(huán)流、橫向水面高差、橫向流速分布不均等問(wèn)題[1]。本文所采用的糙條消能工基于已有的工程實(shí)例新疆“635”工程進(jìn)行研究說(shuō)明，新疆“635”工程的溢洪道彎道處正是采用糙條進(jìn)行消能導(dǎo)流。對(duì)于彎段溢洪道所存在的問(wèn)題，楊飛等[2]、王青等[3]、嚴(yán)培等[4]分別通過(guò)采用垂向基于譜方法的簡(jiǎn)化三維模型、基于Flow-3D方法、MIKE3軟件等對(duì)彎道水流進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行模型驗(yàn)證；董玉蓮[5]介紹了水面橫比降、彎道環(huán)流、急流沖擊波的計(jì)算公式，并提出了削減彎道急流沖擊波的措施；王田田等[6]、昌子多等[7]、趙經(jīng)華等[8]、魏祖濤等[9]、孫一等[10]對(duì)彎道水流進(jìn)行了水流特性試驗(yàn)，提出了改善彎道水流流態(tài)的工程措施，認(rèn)為糙條作為一種新型消能工有著重要的研究意義；李錦艷等[11-12]、孫德旭等[13]研究了糙條對(duì)多彎段溢洪道的消能導(dǎo)流作用并加設(shè)導(dǎo)流墩與糙條聯(lián)合消能，驗(yàn)證了糙條是有效的消能措施；高學(xué)平等[14]、李凡琦等[15-16]提出并細(xì)化了影響彎道水流的因素，這為本文試驗(yàn)分析指標(biāo)提供了重要依據(jù)；張紅紅等[17]等基于量綱分析方法，提出了一種糙條高度的計(jì)算方法，這也是本文設(shè)計(jì)試驗(yàn)的重要依據(jù)。

針對(duì)彎段溢洪道所存在的問(wèn)題，本文著重研究對(duì)彎道水流的動(dòng)能調(diào)整，通過(guò)在彎段溢洪道布置不同型式的糙條，借助物理模型試驗(yàn)的研究方法，來(lái)解決彎道段溢洪道斷面動(dòng)能分布不均的問(wèn)題，以達(dá)到較快使水流動(dòng)能在橫斷面上重新均勻分配、縮短縱向流速分布調(diào)整的距離、改善水流流態(tài)的效果。

2 模型試驗(yàn)概況

2.1 模型裝置

試驗(yàn)采用自循環(huán)式供水系統(tǒng)，主要由上游水池區(qū)、模型試驗(yàn)區(qū)、量水堰區(qū)、下游水池區(qū)、水泵區(qū)和供水管道區(qū)組成。上游水池區(qū)含穩(wěn)流前池裝置；模型試驗(yàn)區(qū)用于放置溢洪道模型，是試驗(yàn)的核心區(qū)域；量水堰區(qū)用于放置模型量水堰，可進(jìn)行流量校核，對(duì)流量有調(diào)整和控制的作用；水泵區(qū)用于裝置水泵，可將下游水池中的水抽送至上游水池中；供水管道區(qū)用于安裝供水管，以形成完整的自循環(huán)式供水系統(tǒng)。試驗(yàn)的模型裝置系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模型裝置系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)的核心部分為模型試驗(yàn)區(qū)，該試驗(yàn)區(qū)模型主體即溢洪道由亞克力有機(jī)玻璃板制成，斷面全程為矩形，溢洪道模型寬度為等寬0.5 m，坡度i=0.025。模型主體由進(jìn)口直段、彎道段(布置糙條區(qū))、出口調(diào)整段3部分組成。進(jìn)口直段長(zhǎng)0.6 m，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠使水流在進(jìn)入彎段前保持平穩(wěn)狀態(tài)，便于試驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)測(cè)量，滿足試驗(yàn)要求。彎道段轉(zhuǎn)角為60°，曲率半徑采用0.85 m，主要用于布置糙條，糙條的布置參數(shù)不同，對(duì)水流的消能作用則不同。出口直段長(zhǎng)1.4 m，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足彎道水流流出彎道后的調(diào)整距離。模型主體結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

圖2 模型主體結(jié)構(gòu)平面布置示意圖(單位：cm)

2.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用同一流量和糙條寬度，將糙條的高度和條距設(shè)為變量參數(shù)。流量Q設(shè)置為22.5 L/s，糙條寬度b設(shè)置為2.7 cm。在選取糙條高度hz時(shí)，采用凹凸面高度比值為2∶1的3種不同高度，分別為1.6～0.8、2.0～1.0、2.4～1.2 cm；條距采用14.0、18.0、22.0 cm。糙條縱斷面圖如圖3所示。

圖3 3種高度糙條的縱斷面圖

試驗(yàn)先進(jìn)行1組無(wú)糙條工況下的數(shù)據(jù)量測(cè)，以便于與有糙條的試驗(yàn)工況進(jìn)行對(duì)比。其次，進(jìn)行5組有糙條工況的試驗(yàn)：先保持糙條的高度為1.6～0.8 cm不變，改變條距，進(jìn)行3組試驗(yàn)，由該3組試驗(yàn)得出的最佳條距為18.0 cm，將其設(shè)置為定值，改變糙條高度，進(jìn)行2組試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)工況及其設(shè)定參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況及其設(shè)定參數(shù)

2.3 數(shù)據(jù)量測(cè)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)量測(cè)斷面根據(jù)模型的3個(gè)主要組成部分進(jìn)行布置，共分為50個(gè)斷面。進(jìn)口直段每6cm取1個(gè)斷面，共10個(gè)斷面。彎道段每3°取1個(gè)斷面，共20個(gè)斷面。出口調(diào)整段每7 cm取1個(gè)斷面，共20個(gè)斷面。模型量測(cè)斷面布置圖如圖4所示。

圖4 模型量測(cè)斷面布置圖(單位：cm)

試驗(yàn)流量量測(cè)采用直角三角形薄壁堰。

試驗(yàn)水深量測(cè)采用水位測(cè)針，精度為0.1 mm。水位量測(cè)共分50個(gè)斷面，每個(gè)斷面從左至右每隔5.0 cm布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共11個(gè)測(cè)點(diǎn)；試驗(yàn)流速量測(cè)采用畢托管，量測(cè)過(guò)程中將畢托管置于在1/3水深處，測(cè)得時(shí)均流速。流速量測(cè)共分17個(gè)斷面，斷面編號(hào)分別為0#、3#、6#、9#、12#、15#、18#、21#、24#、27#、30#、33#、36#、39#、42#、45#、48#，每個(gè)斷面從左至右均勻選取6個(gè)測(cè)點(diǎn)。具體的水深及流速量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 水深及流速量測(cè)橫斷面測(cè)點(diǎn)圖(單位：cm)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 彎道水流各評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果與分析

3.1.1 加糙水位變化率 水流進(jìn)入彎道時(shí)，由于離心力較大，使得彎道段凹岸水位明顯高于凸岸。試驗(yàn)設(shè)置不同工況的糙條，以改變凹凸岸水位差，使其趨于同一水位。無(wú)糙條工況與有糙條工況下模型彎道段水流流態(tài)對(duì)比如圖6所示。

圖6 無(wú)糙條工況與有糙條工況下彎道段水流流態(tài)對(duì)比

為量化比較加糙與無(wú)糙條工況的水位變化，引入加糙水位變化率，定義為：

(1)

α0=0

(2)

式中：αZ為斷面水位變化率；Z0為i測(cè)點(diǎn)處無(wú)糙條工況的水位，cm；Zi為i測(cè)點(diǎn)處加糙條工況的水位，cm；α0為無(wú)糙條工況下的加糙水位變化率。αZ越大，說(shuō)明糙條消減動(dòng)能效果越明顯，使得水流紊動(dòng)強(qiáng)度減小，水面結(jié)構(gòu)調(diào)穩(wěn)幅度較大，動(dòng)能分配較均勻。

根據(jù)彎道段壅水程度，選擇橫斷面15#和橫斷面20#作為彎道段典型斷面，不同工況下典型斷面加糙水位變化率如圖7所示。由圖7可看出，設(shè)置糙條可明顯增大加糙水位變化率，15#橫斷面加糙水位變化率基本呈橫“S”型變化，且在5#和6#測(cè)點(diǎn)處的平均加糙水位變化率較大，而5#和6#測(cè)點(diǎn)恰好處于流道中心軸線處；20#橫斷面為彎頂斷面，加糙水位變化率基本呈下降趨勢(shì)，凸岸加糙水位變化率大于凹岸，這恰好使得無(wú)糙條工況相差較大的凸凹岸水深趨于相同，可有效解決彎道凸岸水深小于凹岸水深的不利流態(tài)。

圖7 不同工況下彎道段典型斷面的加糙水位變化率

3.1.2 水面線 水面線可作為描述不同工況下水面變化的重要指標(biāo)。本文簡(jiǎn)化水面線的傳統(tǒng)做法，可更直觀表現(xiàn)出不同工況下沿程水深變化。圖8為不同工況下水面線沿程變化規(guī)律。由圖8可知，對(duì)于加設(shè)糙條的工況，0#～10#橫斷面(進(jìn)口直段)水深均變大，這是由于糙條使得流入彎道的水流壅高，對(duì)進(jìn)入彎道前的水流也產(chǎn)生了影響，這也是試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)口直段的意義所在；11#～30#斷面(彎段)水深變化較為均勻，可見(jiàn)糙條對(duì)水面結(jié)構(gòu)有重分布的作用，使得水流橫斷面分布較為均勻(可參考圖7)；31#～50#斷面(出口直段)水深變化較小，但均呈現(xiàn)出水深減小的情況，這說(shuō)明彎道糙條對(duì)水流有消減作用，使得一部分能量在彎段耗散，導(dǎo)致下游出口水流水深減小；隨著糙條高度的增大，水面線越趨于平穩(wěn)，水流流態(tài)改善效果越好。

圖8 不同工況下溢洪道模型水面線沿程變化規(guī)律

3.1.3 橫斷面均勻度 橫斷面均勻度可作為衡量水面結(jié)構(gòu)的指標(biāo)。選取典型斷面15#、18#、21#、42#分析橫斷面水深變化，更直觀表現(xiàn)出加設(shè)糙條后橫斷面均勻度的變化，圖9為6種不同工況下各典型橫斷面水深變化。由圖9可見(jiàn)，加設(shè)糙條后的工況相比無(wú)糙條工況(工況1)而言，橫斷面的水深均有良好改善，趨于均勻化，凹凸岸水位差明顯減小，且水位在彎道軸線附近的變化較大，尤其在6#測(cè)點(diǎn)處，說(shuō)明加設(shè)糙條對(duì)彎道水流流態(tài)有很大的影響，使其流態(tài)重分布。從圖9也可看出，相對(duì)于其他工況，工況6橫斷面均勻度較好，水深變化平穩(wěn)，改善效果較好，說(shuō)明糙條高度2.4～1.2 cm與條距18 cm的組合參數(shù)較優(yōu)。

圖9 不同工況下典型橫斷面均勻度變化規(guī)律

3.1.4 水面橫比降 水面橫向比降的計(jì)算公式[10]如下：

(3)

式中：Z凹為凹岸水深，cm；Z凸為凸岸水深，cm；B為彎段溢洪道寬度，取50 cm。

圖10為6種工況下水面橫向比降沿程變化情況。從圖10可知，相比無(wú)糙條工況1，設(shè)置糙條可明顯減小水面橫比降的變化幅度，從而降低凹凸岸的水位差。糙條高度一定的情況下，隨著條距的增大，水面橫比降變化幅度增大；條距一定的情況下，隨著糙條高度的增大，水面橫比降變化幅度減小。說(shuō)明糙條條距的減小和糙條高度的增大均可使水面橫比降減小。

圖10 各工況下水面橫比降沿程變化

3.1.5 斷面流速分布 斷面流速分布是彎道水流分析評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。為說(shuō)明試驗(yàn)沿程橫斷面流速分布情況，分別在進(jìn)口直段、彎道段、出口調(diào)整段選取典型斷面，各典型斷面編號(hào)為6#、15#、21#、42#。各典型斷面在不同工況下的流速分布如圖11所示。由圖11可知，相比無(wú)糙條工況1，彎道段在布置糙條后流速明顯大幅度減小，6#、15#、21#斷面為彎道水流出彎前的斷面，可見(jiàn)布置糙條可使流速進(jìn)行重分布，斷面流速分布盡量均勻，這也可較快使動(dòng)能在橫斷面上重分配，縮短下游水流調(diào)整長(zhǎng)度，使沖擊波范圍減小。42#斷面為下游出口調(diào)整段的斷面，布置糙條可使其流速明顯降低。

圖11 不同工況下各典型斷面的流速分布

3.1.6 下游水流恢復(fù)長(zhǎng)度 水流流出彎道后，邊墻偏轉(zhuǎn)變化較大，并受到水流邊界和離心力的影響，形成折沖波。無(wú)糙條工況與有糙條工況下的模型下游水流流態(tài)對(duì)比如圖12所示。由圖12可見(jiàn)，無(wú)糙條工況下，下游凹岸水深明顯高于凸岸，斷面流速分布不均，折沖波的波峰和波谷相互交替出現(xiàn)在兩岸，水面出現(xiàn)明顯超高現(xiàn)象，導(dǎo)致水流流態(tài)惡化，下游水流恢復(fù)長(zhǎng)度較長(zhǎng)。有糙條工況下，由于彎道段布置糙條后，先對(duì)彎道段水流進(jìn)行流態(tài)調(diào)整，當(dāng)水流流出彎道段后，由于在彎道段已經(jīng)調(diào)整了水流流態(tài)，使得下游水流調(diào)整段的長(zhǎng)度縮短，能夠快速達(dá)到了平穩(wěn)狀態(tài)。試驗(yàn)中觀察到，隨著糙條高度的增大，下游水流恢復(fù)長(zhǎng)度逐漸減小，能更快地使得下游橫斷面水深趨于均勻化。

圖12 無(wú)糙條工況與有糙條工況下的模型下游水流流態(tài)對(duì)比

3.2 糙條對(duì)彎道水流動(dòng)能調(diào)整作用

3.2.1 動(dòng)能計(jì)算 水流流入彎道后，凹凸岸水深相差較大，斷面流速分布不均，水流流態(tài)紊亂，這些均為影響斷面動(dòng)能分布均勻度的重要因素。試驗(yàn)設(shè)置糙條后，水流與糙條的撞擊過(guò)程消耗了水流的部分動(dòng)能，考慮到彎道段凹凸岸水深不同，凹岸水深遠(yuǎn)大于凸岸水深，糙條體型選擇為梯形斷面，這種糙條能改善彎道水流原流態(tài)并使其進(jìn)行動(dòng)能重新分布。單位重量水體具有的動(dòng)能公式為：

(4)

式中：αi為動(dòng)能修正系數(shù)，其值取決于過(guò)水?dāng)嗝娴牧魉俜植?，?duì)于漸變流，工程中常取αi=1.0；vi為斷面平均流速，cm/s。g為重力加速度，取9.81 m/s2。為比較無(wú)糙條工況和有糙條工況的動(dòng)能分布差異，利用公式(4)計(jì)算出不同工況下彎道段典型橫斷面動(dòng)能分布，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，布置糙條的工況2～6與無(wú)糙條工況1相比，彎道段動(dòng)能總和均有所減小，最大動(dòng)能消減率可達(dá)到50%以上。試驗(yàn)表明，布置糙條后，彎道段的水流流態(tài)被打亂，各斷面流速及動(dòng)能進(jìn)行重分布，且彎道段的動(dòng)能重分配直接影響到了下游出口調(diào)整段的流態(tài)，使流態(tài)恢復(fù)平穩(wěn)，下游水流恢復(fù)長(zhǎng)度縮短。

表2 不同工況彎道段典型橫斷面動(dòng)能分布計(jì)算結(jié)果 cm

3.2.2 動(dòng)能調(diào)整系數(shù) 為量化糙條對(duì)斷面動(dòng)能調(diào)整的程度，引入動(dòng)能調(diào)整系數(shù)：

(5)

式中：σ為動(dòng)能調(diào)整系數(shù)；Ei為第i個(gè)斷面的動(dòng)能，cm；∑Ei為彎道段的動(dòng)能總和，cm。

利用公式(5)計(jì)算不同工況下彎道段典型斷面的動(dòng)能調(diào)整系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同工況彎道段典型橫斷面動(dòng)能調(diào)整系數(shù)σ計(jì)算結(jié)果

由表3可知，工況1(無(wú)糙條)彎道段凸岸和凹岸的動(dòng)能調(diào)整系數(shù)相差6%，各典型斷面動(dòng)能分布不均勻，也反映出無(wú)糙條布置的工況下凹凸岸水位差相差較大，流態(tài)不穩(wěn)定，流速分布不均勻。布置糙條的工況2～6，彎道段各典型斷面動(dòng)能調(diào)整系數(shù)有明顯的變化，使得動(dòng)能分布較為均勻，每種工況的各典型斷面的動(dòng)能調(diào)整系數(shù)均逐漸趨近于同一個(gè)值，反映出布置糙條后流態(tài)得到顯著改善。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)糙條消能工對(duì)彎道水流動(dòng)能調(diào)整進(jìn)行了模型試驗(yàn)和分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)6種工況的模型試驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn)，不同布置型式的糙條消能工均可有效對(duì)彎道水流進(jìn)行動(dòng)能調(diào)整，使得動(dòng)能進(jìn)行重分配，可明顯削減彎道段水流的動(dòng)能，降低流速，縮短下游水流恢復(fù)長(zhǎng)度。

(2)通過(guò)對(duì)有糙條工況下加糙水位變化率的計(jì)算和分析，得到布置糙條可明顯加大加糙水位變化率。彎頂段斷面凸岸的加糙水位變化率大于凹岸的加糙水位變化率，有效降低了彎頂段嚴(yán)重的水面超高現(xiàn)象和凹凸岸的水位差。彎頂之前的彎道段加糙水位變化率基本呈橫“S”型趨勢(shì)變化，在流道中心軸線處加糙水位變化率較大。

(3)通過(guò)對(duì)水面線、橫斷面均勻度、水面橫比降等評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析，糙條凹凸岸高度不同且在糙條高度增大和條距減小時(shí)，水深沿程變化較為規(guī)律，橫斷面均勻度趨于平穩(wěn)，水面橫比降變化幅度明顯減小，但糙條凹凸岸最高高度小于2.0 cm且條距較大時(shí)，將出現(xiàn)負(fù)面影響，水流流態(tài)改善效果不佳。

(4)通過(guò)計(jì)算彎道各典型斷面動(dòng)能調(diào)整系數(shù)發(fā)現(xiàn)，糙條的布置可使彎道段的最高動(dòng)能消減率達(dá)到50%以上，不同工況下各典型斷面動(dòng)能調(diào)整系數(shù)得到均勻分布，逐漸趨近于同一個(gè)值，動(dòng)能調(diào)整效果明顯。因此，相比其他消能工，糙條消能工布置型式簡(jiǎn)單，其作用及效果十分顯著，施工簡(jiǎn)便，可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)等提供參考依據(jù)。