跌坎消力池振蕩水躍優(yōu)化研究

秦宏飛 候艷萍

【摘? 要】論文采用模型試驗(yàn)的方法，探究解決跌坎型消力池在大單寬、低弗勞德數(shù)引起的振蕩型水躍問題，首先對(duì)跌坎型消力池進(jìn)行了局部體型優(yōu)化，結(jié)果表明無(wú)法完全消除消力池內(nèi)大幅度振蕩和波動(dòng)。隨后，嘗試改變?nèi)氤貤l件，加設(shè)收縮墩，試驗(yàn)表明，池內(nèi)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的三元射流和明顯底流水躍混合流態(tài)，池內(nèi)振蕩和波動(dòng)消除，且出池流速降低，消能率明顯提高。

【Abstract】In this paper， the model test method is used to solve the problem of the oscillating hydraulic jump caused by the large single-width and low-Froude number in the stilling basins with step-down floor. Firstly， the paper has carried on the local body type optimization to the stilling basins with step-down floor， the results show that the oscillations and fluctuations in the stilling basins cannot be completely eliminated. Subsequently， the experiment tried to change the conditions of entering the pool by adding a contraction pier. The experiment showed that the pool presented a stable mixed flow pattern of ternary jet and obvious bottom water jump， the oscillations and fluctuations in the pool were eliminated， and the flow rate of leaving the pool decreased， and the energy dissipation rate increased obviously.

【關(guān)鍵詞】跌坎;低弗勞德數(shù);振蕩;收縮墩

【Keywords】step-down floor; low-Froude number; oscillations; contraction bier

【中圖分類號(hào)】TV131.61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）08-0181-02

1 引言

隨著高壩的飛速發(fā)展建設(shè)，單一、傳統(tǒng)的泄洪消能方式[1，2]已不能滿足相應(yīng)的要求，為了提高泄洪消能效率，則需要研究新型消能工[3，4]。本文針對(duì)來流條件[5，6]為大單寬，低Fr引起的跌坎消力池池內(nèi)水流發(fā)生的振蕩和波動(dòng)問題，計(jì)劃通過模型試驗(yàn)方法，研究分析跌坎型消力池內(nèi)流態(tài)發(fā)生的振蕩和波動(dòng)的原因，優(yōu)化并改善池內(nèi)流態(tài)，提高消能率的方法，為相似水利工程提供解決問題的新思路。

2 跌坎消力池

跌坎型消力池試驗(yàn)研究過程中發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)環(huán)境與水工建筑物布置受約束條件下，不能加寬、加長(zhǎng)消力池，低Fr，大單寬引起的振蕩問題較為突出。

為解決消力池池內(nèi)振蕩和波動(dòng)問題，文章在消力池池長(zhǎng)與池寬不能改變的條件下，第一次試驗(yàn)出發(fā)點(diǎn)為改變水流入池方式，擬通過挑流達(dá)到減弱或消除池內(nèi)振蕩和波動(dòng)問題，將連接直線段修改為拋物線接反弧曲線體型，但試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)法消除和減弱該問題，反而，挑流會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致池內(nèi)大幅度振蕩和波動(dòng)問題加劇。隨后，對(duì)跌坎深度進(jìn)行了變化修改，試驗(yàn)結(jié)果表明，池內(nèi)振蕩和波動(dòng)問題仍不能得到改善。

隨后試驗(yàn)小組通過改變?nèi)氤厮鳁l件，增大Fr的思路，在出口位置增加矩形收縮墩，同時(shí)，下游不設(shè)尾坎，使入池水流收縮擴(kuò)散，初步試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)該試驗(yàn)效果明顯，為可行方案，為選取最佳方案，隨后進(jìn)行了多組對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)定上游流量Q=42.71L/s，跌坎消力池跌坎深度d=8.75cm，下游相對(duì)水位為39.4～28.9cm。現(xiàn)選取下游相對(duì)水位為37.6cm，在收縮比ε=0.55、0.49和0.45及無(wú)收縮墩的條件下，進(jìn)行模型試驗(yàn)分析比對(duì)。具體試驗(yàn)組次見表1。

3 水力特性

3.1 流態(tài)特征

ε=0.49時(shí)，池內(nèi)水流為略淹沒射流流態(tài)，池內(nèi)形成明顯底流消能與射流擴(kuò)散混合狀態(tài)，池內(nèi)大幅度振蕩消失，同時(shí)，池內(nèi)水面波動(dòng)較小，出池水流較為平穩(wěn)。

在相同來流量、下游水位的條件下，水躍發(fā)生位置會(huì)隨著收縮比的不同，而有所不同。收縮比增大時(shí)，水流縱向爬升高度減小，近似與減小了躍前水深，躍前與躍后水深失去了共軛關(guān)系，水躍躍首向消池首位置移動(dòng)，當(dāng)躍后水深逐漸至水躍共軛水深時(shí)，水躍位置趨于穩(wěn)定。同理，當(dāng)收縮比為減小時(shí)，躍首向池尾方向移動(dòng)。

3.2 消能率

在對(duì)不同條件下消能工消能率計(jì)算斷面的選擇中，選擇距消力池池首向上90cm斷面處為來流斷面，消力池尾斷面為下游進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)水面高程均為以消力池底板為基準(zhǔn)的相對(duì)高程。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2中可知，收縮比為0.55、0.49和0.45與無(wú)收縮墩時(shí)，對(duì)應(yīng)條件下消能率分別為56.8%、61.6%、55.7%和55.3%，在增加收縮墩后，消力池效能率明顯提高，特別是在收縮比為0.49時(shí)，消力池池內(nèi)消能率最高。

4 結(jié)論

①收縮墩對(duì)消力池內(nèi)水流流態(tài)有明顯的影響，加設(shè)矩形收縮墩后，水流入池后收縮擴(kuò)散，池內(nèi)形成穩(wěn)定的擴(kuò)散射流和底流旋滾，消除了池內(nèi)振蕩和波動(dòng)。

②在同一來流量和同一下游水位條件下，當(dāng)收縮比變小時(shí)，躍首向下游移動(dòng)。同理，當(dāng)收縮比為增大時(shí)，躍首向池首方向移動(dòng)。

③加設(shè)收縮墩后，池內(nèi)水躍由震蕩水躍改變?yōu)檩^為穩(wěn)定水躍，且消能率高。

【參考文獻(xiàn)】

【1】李建中.水力學(xué)[M].陜西：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

【2】劉沛清.現(xiàn)代壩工消能防沖原理[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

【3】肖興斌.高壩泄水建筑物泄洪消能的新發(fā)展[J].東北水利水電，1995（3）：41-45.

【4】牛爭(zhēng)鳴，余聰，李奇龍，等.淹沒射流與水平旋流梯級(jí)內(nèi)消能工的水力特性[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2018，37（12）：65-74.

【5】王海龍，戴光清，楊慶，等.低水頭、大單寬流量泄洪消能方式研究[J].水力發(fā)電，2006，32（8）：25-26.

【6】郭開開.收縮擴(kuò)散與底流復(fù)合消力池的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].西安：西安理工大學(xué)，2014.