彎段溢洪道導(dǎo)流墩聯(lián)合糙條模型試驗(yàn)研究

孫德旭 牧振偉 李凡琦 賈萍陽(yáng)

摘 要：為了研究彎段溢洪道中水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了徑寬比R/B為1.75的60°彎段溢洪道試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)改變導(dǎo)流墩聯(lián)合糙條輔助消能工的布置參數(shù)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：導(dǎo)流墩聯(lián)合糙條輔助消能工對(duì)水流有顯著導(dǎo)流效果，可使水面橫比降有效降低，使水面結(jié)構(gòu)改善;長(zhǎng)寬比L/B=0.187 5時(shí)水力條件優(yōu)于L/B=0.125 0的，其最大消能率可達(dá)60%，水流動(dòng)力軸線(xiàn)在彎道段，由凸岸向溢洪道中軸線(xiàn)靠近且出現(xiàn)不同幅度波動(dòng)的趨勢(shì)，在出口段，由凹岸一定程度向溢洪道中軸線(xiàn)遷移，大大縮短了縱向流速分布的調(diào)整距離。在彎道內(nèi)合理地布置聯(lián)合消能工既節(jié)省工程投資，又符合溢洪道水力特性要求。

關(guān)鍵詞：彎段溢洪道;水面橫比降;導(dǎo)流墩;糙條;水流動(dòng)力軸線(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV651.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.022

引用格式：孫德旭Symbol`@@，牧振偉，李凡琦，等.彎段溢洪道導(dǎo)流墩聯(lián)合糙條模型試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2021，43（1）：115-119.

Study on Model Test of Diversion Pier Combined with Rough-Strip in the Bend Spillway

SUN Dexu， MU Zhenwei， LI Fanqi， JIA Pingyang

（College of Water Conservancy and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract：In order to study the characteristics of water flow movement in the spillway of curved section， this paper established a 60° bend spillway test model with a R/B of 1.75 and analyzed the measured data by changing the diversion pier combined with brown strip auxiliary energy dissipation of the layout parameters. The results show that the diversion pier combined with the Brown strip auxiliary energy dissipation works has significant diversion effect on water flow， can effectively reduce the horizontal gradient of water surface and effectively improve the water surface structure; when L/B=0.1875， the hydraulic condition is better than L/B=0.125， the maximum energy dissipation rate can reach to 60%， the flow of power axis in the bend section， from the convex shore to the spillway axis near and appear different amplitude fluctuation trend， in the outlet section， from the concave bank to a certain degree of the middle axis of the spillway migration， which greatly shortens the longitudinal velocity distribution of the adjustment distance. It can not only save the project cost， but also meet the hydraulic characteristics of the spillway and provide theoretical reference for the actual engineering design.

Key words： bend spillway; transverse slope of water surface; diversion pier; rough-strip; axis of flow

溢洪道作為水庫(kù)主要泄水建筑物之一，常受地形、地質(zhì)、施工條件等的限制，不得不布置成彎道形式[1-3]。當(dāng)水流進(jìn)入彎道后，受離心力作用產(chǎn)生彎道環(huán)流，會(huì)使彎道內(nèi)產(chǎn)生水面超高、橫向沖擊波等問(wèn)題[4]。

現(xiàn)有的彎道多采用斜底坎[5]、丁壩[6]、懸柵[7]、導(dǎo)流柵[8]等輔助消能工在設(shè)定距離內(nèi)調(diào)整、控制水流流態(tài)。Kikkawa[9]提出了彎道二維水流模型，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)矩形斷面的單彎道進(jìn)行了分析;魏祖濤等[10]通過(guò)模型試驗(yàn)研究指出，實(shí)際工程可通過(guò)加糙來(lái)穩(wěn)定彎道及其下游水流流態(tài);王田田等[11]在溢洪道泄槽彎道段設(shè)置導(dǎo)流墻開(kāi)展試驗(yàn)研究表明，設(shè)置導(dǎo)流墻后彎道橫斷面凹凸岸水面差明顯下降，但水面差仍然存在;滕曉敏等[12]在彎段溢洪道內(nèi)設(shè)置透水斜檻，研究了其對(duì)水流的改善效果;傅燦等[13]針對(duì)某水庫(kù)溢洪道，通過(guò)水工模型試驗(yàn)研究了在陡槽彎道段底部垂直布置四道斜檻的效果，進(jìn)而解決了實(shí)際工程問(wèn)題;孫娟等[14]、李錦艷等[15-16]對(duì)水庫(kù)多彎段溢洪道內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流墩、糙條等輔助消能工進(jìn)行了試驗(yàn)研究;李凡琦等[17]將數(shù)值模擬與物理模型相結(jié)合，對(duì)多彎段溢洪道內(nèi)加設(shè)糙條后的水面結(jié)構(gòu)及渦流演化進(jìn)行了分析闡述。上述方法都可以用來(lái)減小水面橫比降、降低水流沖擊波，但有的工程泄槽寬深比較小、施工難度較大、工程量較大等，需要結(jié)合實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行綜合分析。本文借助物理模型試驗(yàn)方法，通過(guò)在溢洪道內(nèi)布置不同聯(lián)合形式的輔助消能工，分析溢洪道典型斷面水面橫比降變化趨勢(shì)、表面水流結(jié)構(gòu)變化、典型斷面縱向流速分布規(guī)律與水流動(dòng)力軸線(xiàn)，進(jìn)而闡明寬淺彎段溢洪道導(dǎo)流墩聯(lián)合糙條對(duì)水流水力特性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本模型試驗(yàn)在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)廳進(jìn)行。模型邊墻及底板均由亞克力有機(jī)玻璃板制作而成。彎道過(guò)水?dāng)嗝鏋榫匦危讓払=80 cm，邊墻高H=16 cm，為避免來(lái)流對(duì)彎道水流的影響，模型上游進(jìn)口段布置長(zhǎng)度為60 cm的過(guò)渡直段，進(jìn)口段后接中心角為60°的彎道段，彎道末端接長(zhǎng)度為140 cm的出口直線(xiàn)段，使水流能夠平順下泄，模型沿程底坡系數(shù)i=0.025。整個(gè)模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)包括穩(wěn)流前池（池內(nèi)設(shè)置調(diào)流板）、進(jìn)口段、彎道段、下游調(diào)整段、量水堰、地下水庫(kù)、水泵。

導(dǎo)流墩模型為矩形長(zhǎng)方體，寬、高分別為1.5、3.0 cm。在彎道進(jìn)口處布置3根長(zhǎng)為20 cm及1根長(zhǎng)為15 cm的導(dǎo)流墩，在彎段出口末端布置4根長(zhǎng)為10 cm或15 cm兩種方案的導(dǎo)流墩，所有導(dǎo)流墩間距均為16 cm。糙條為貫穿凹凸岸的“梯形”長(zhǎng)方體，寬為3 cm，高度從凹岸2.4 cm高漸變到凸岸1.2 cm高。以彎道末端逆水流向上12°為起點(diǎn)布置第1根糙條，由此向上共布置3根糙條，嚴(yán)格控制糙條間距為15 cm，導(dǎo)流墩、糙條聯(lián)合消能工斷面形式如圖1所示。

1.2 測(cè)量斷面

試驗(yàn)測(cè)量斷面包括垂直水流方向的橫斷面和順?biāo)鞣较虻目v斷面，橫斷面進(jìn)口段編號(hào)為0～9，共10個(gè)斷面，斷面間距為6 cm;橫斷面彎道段編號(hào)為10～30，共31個(gè)斷面，沿彎道段徑向每隔3°布置一個(gè)斷面;橫斷面出口段編號(hào)為31～50，共20個(gè)斷面，斷面間距為7 cm?？v斷面從彎道凸岸（右岸）至凹岸（左岸）編號(hào)為0～10號(hào)，共11個(gè)斷面，斷面間距為8 cm。沿水平面方向共布置了561個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)測(cè)量要素包括水深與流速。水深測(cè)量采用精度為0.01 mm的測(cè)針，由3次讀數(shù)取平均值;流速測(cè)量采用畢托管，量測(cè)點(diǎn)位置在距底板床面1/3水深處，設(shè)其值為該斷面垂向平均流速。水深、流速網(wǎng)格測(cè)量斷面如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方案

依據(jù)不同流量、不同彎道末端處導(dǎo)流墩長(zhǎng)度設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。在3個(gè)不同下泄流量下導(dǎo)流墩在溢洪道內(nèi)有兩種形態(tài)，分別為完全淹沒(méi)和部分淹沒(méi)，而糙條則完全淹沒(méi)。通過(guò)大量試驗(yàn)放水觀(guān)察，導(dǎo)流墩設(shè)置較高會(huì)導(dǎo)致彎道水面結(jié)構(gòu)紊亂嚴(yán)重，特別是布置導(dǎo)流墩的位置會(huì)出現(xiàn)水流飛濺的現(xiàn)象，因此本研究導(dǎo)流墩高度設(shè)為3 cm。在寬淺溢洪道彎道出口末端布置導(dǎo)流墩的角度及高度一定時(shí)，導(dǎo)流墩長(zhǎng)度L對(duì)下游出口段的水面結(jié)構(gòu)有較大影響，同時(shí)也會(huì)影響彎道內(nèi)的水流流態(tài)，綜合考慮，設(shè)置L分別為10、15 cm進(jìn)行試驗(yàn)。具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表1，各工況徑寬比R/B均為1.75。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水面橫比降變化

水流進(jìn)入彎道后，受到慣性離心力、地球自轉(zhuǎn)偏心力、水位急漲急落及風(fēng)等影響因素的作用，導(dǎo)致河流或溢洪道橫斷面兩端水位出現(xiàn)橫向高差，從而形成水面橫比降。而水面橫比降是反映彎道水流特性的指標(biāo)，理論上采用如下公式計(jì)算[18]：

J=Z凹-Z凸B （1）

式中：J為水面橫比降;Z凹為溢洪道凹岸水位;Z凸為溢洪道凸岸水位;B為溢洪道底寬。

該溢洪道典型斷面不同工況下水面橫比降沿程變化趨勢(shì)如圖3所示。

從圖3（a1）（a2）（a3）不難發(fā)現(xiàn)：流量越大，水面橫比降越大。水流入彎后，不同流量的水面橫比降均有逐漸增大的趨勢(shì)，且在27#橫斷面位置（彎段4/5位置）達(dá)到峰值，隨后減小，降至41#橫斷面時(shí)出現(xiàn)負(fù)值，在45#橫斷面出現(xiàn)最大負(fù)橫比降。圖3（b1）（b2）（b3）為L(zhǎng)/B=0.125 0時(shí)導(dǎo)流墩聯(lián)合糙條消能工布置情況下溢洪道內(nèi)水面橫比降變化情況，可見(jiàn)相比同流量下的水面橫比降有效減小，不同流量情況下水面橫比降變化呈蛇形曲線(xiàn)。圖3（c1）（c2）（c3）為L(zhǎng)/B=0.187 5時(shí)導(dǎo)流墩聯(lián)合糙條消能工布置情況下溢洪道內(nèi)水面橫比降變化情況，同流量情況下，整個(gè)彎道段水面橫比降曲線(xiàn)變化更平緩，且在水流出彎后30#～40#橫斷面即出口段的水面橫比降變化幅度減小，與此同時(shí)出現(xiàn)水面負(fù)橫比降的位置也有向下游發(fā)展的趨勢(shì)。對(duì)9種工況水面橫比降綜合分析發(fā)現(xiàn)，溢洪道內(nèi)布置導(dǎo)流墩糙條聯(lián)合消能工后水面橫比降得到有效改善。隨著流量變大，水面橫比降逐漸增大;彎段出口末端導(dǎo)流墩長(zhǎng)度對(duì)出彎道及彎道段水流流態(tài)有一定影響，L/B=0.187 5的水力條件優(yōu)于L/B=0.125 0的，此時(shí)溢洪道內(nèi)整體水面橫比降變化平緩。

2.2 水面結(jié)構(gòu)形態(tài)

各工況水面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。分析發(fā)現(xiàn)，工況1最大水深發(fā)生位置處于彎道40#橫斷面前后，此位置水深明顯壅高，最大水面差達(dá)12 cm，水流形態(tài)惡劣。圖4（b）（c）分別為L(zhǎng)/B=0.125 0時(shí)大流量與小流量的水面結(jié)構(gòu)圖，顯然在彎道段凹凸兩岸的水面差顯著減小，整體水面波動(dòng)較平緩。隨著流量的減小，溢洪道彎道段水深相應(yīng)降低，且在不同流量聯(lián)合輔助消能工作用下，彎道內(nèi)水流均有向上游遷移趨勢(shì)，說(shuō)明在導(dǎo)流墩及糙條作用下，水流受到“前導(dǎo)”“后消”共同作用，逼迫水流向彎道凸岸運(yùn)動(dòng)，而出彎后水流仍呈現(xiàn)凹凸水面差，碰撞兩岸邊墻后，繼而形成沖擊波。

圖4（d）～（f）為L(zhǎng)/B=0.187 5時(shí)不同流量的水面結(jié)構(gòu)形態(tài)。增加彎段出口導(dǎo)流墩長(zhǎng)度后，觀(guān)察溢洪道彎道段及出口段水深變化得出，彎道段水面流態(tài)起伏變化幅度較平緩，且出口段水流形態(tài)得到了明顯改善，兩岸水面高差變小，水流沖擊波及波浪幅度得到了很好的控制，整個(gè)溢洪道內(nèi)水流平滑下泄。說(shuō)明L/B=0.187 5導(dǎo)流墩聯(lián)合糙條輔助消能工可以更好地調(diào)整水流流態(tài)。但需指出的是，任一聯(lián)合消能工組合作用下，溢洪道彎道段水深降低效果不太明顯，更多地表現(xiàn)在降低了水面橫比降、水流沖擊波及波浪幅度。

2.3 典型斷面縱向流速分布規(guī)律與水流動(dòng)力軸線(xiàn)

2.3.1 典型斷面縱向流速分布

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到各工況典型斷面沿程最大流速及消能率，見(jiàn)表2。對(duì)比分析可見(jiàn)，與不加輔助消能工工況相比，布置導(dǎo)流墩聯(lián)合糙條消能工后，彎道段最大流速明顯減小。隨流量的增大，各斷面最大流速有增大趨勢(shì)，且沿程流速也逐漸增大。對(duì)比工況1、2、3，兩組水力條件的消能效果在彎道段優(yōu)于進(jìn)口段與出口段的，最大消能率可達(dá)60%。說(shuō)明在彎道段布置聯(lián)合輔助消能工后水流動(dòng)量重新調(diào)整，且彎道邊界條件改變，改善了彎道流態(tài)與流速分布，大大縮短了縱向流速分布的調(diào)整距離[8]。另外需要指出的是：對(duì)比兩組水力條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，彎道出口段導(dǎo)流墩長(zhǎng)度增大可以更好地改善進(jìn)口段、彎道段及出口段各水力要素。就本研究而言，L/B為0.187 5時(shí)彎道水力條件最佳。

2.3.2 水流動(dòng)力軸線(xiàn)

水流動(dòng)力軸線(xiàn)為各橫斷面最大縱向平均流速所在點(diǎn)連線(xiàn)的水平投影，又稱(chēng)為主流線(xiàn)。通過(guò)研究彎段溢洪道水流動(dòng)力軸線(xiàn)變化的幅度，可以分析整個(gè)溢洪道的動(dòng)量遷移和流速分布，即水流的穩(wěn)定程度。圖5（a）～（c）為各工況水流動(dòng)力軸線(xiàn)沿程變化情況。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同流量下任一不加輔助消能工的水流動(dòng)力軸線(xiàn)在彎道段均呈現(xiàn)向凸岸偏移的趨勢(shì)，這是水流受到彎道離心力作用造成的結(jié)果。而在加設(shè)導(dǎo)流墩聯(lián)合糙條輔助消能工后，隨流量的增大，L/B=0.125 0和L/B=0.187 5兩種水力條件下6組試驗(yàn)工況水流動(dòng)力軸線(xiàn)在彎道段均不同程度向溢洪道中軸線(xiàn)靠近且出現(xiàn)不同幅度的波動(dòng)。而在出彎后又一定程度向溢洪道中軸線(xiàn)波動(dòng)，且L/B=0.187 5水力條件下水流動(dòng)力軸線(xiàn)較優(yōu)。原因是水流進(jìn)入彎道后，首先受到彎道入口段導(dǎo)流墩的制約，一部分水流被導(dǎo)向凸岸，在遇到凸岸邊壁時(shí)形成一股縱軸渦流并與來(lái)流形成一定角度的對(duì)沖，之后在糙條作用下，底層水流又指向凸岸，從而形成復(fù)雜交錯(cuò)的三維混流，使得凸岸流速開(kāi)始降低，水流動(dòng)力軸線(xiàn)也將向凹岸方向遷移。同理，出彎后的水流動(dòng)力軸線(xiàn)一定程度向溢洪道中軸線(xiàn)偏移。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)R/B為1.75的60°彎段溢洪道進(jìn)行模型試驗(yàn)，從水面橫比降、水面結(jié)構(gòu)形態(tài)、沿程流速變化規(guī)律及水流動(dòng)力軸線(xiàn)4個(gè)方面綜合考慮分析，得出如下主要結(jié)論：

（1）通過(guò)在溢洪道內(nèi)合理布置導(dǎo)流墩與糙條聯(lián)合輔助消能工的研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合輔助消能工能夠很好地制約彎道環(huán)流的產(chǎn)生、降低水面橫比降、改善水面結(jié)構(gòu)及調(diào)整水流動(dòng)力軸線(xiàn)，并能夠有效地避免下游調(diào)整段沖擊波的形成。

（2）導(dǎo)流墩糙條聯(lián)合消能工對(duì)水流有顯著導(dǎo)流效果。不同工況下，隨著流量變大，水面橫比降增大;彎段出口末端導(dǎo)流墩長(zhǎng)度對(duì)出彎道及彎道段水流流態(tài)有一定影響，L/B=0.187 5的水力條件優(yōu)于L/B=0.125 0的，此時(shí)溢洪道內(nèi)水面橫比降變化平緩，整體水面結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。

（3）就本研究而言，L/B為0.187 5時(shí)，消能率在彎道段優(yōu)于進(jìn)口段與出口段，最大消能率可達(dá)60%。說(shuō)明在彎道段布置聯(lián)合輔助消能工對(duì)水流動(dòng)量有重新調(diào)整，且改變了彎道邊界條件，改善了彎道水流流態(tài)與流速分布，能夠更好地調(diào)整水流動(dòng)力軸線(xiàn)趨于彎道中軸線(xiàn)，大大縮短縱向流速分布的調(diào)整距離。相比類(lèi)似輔助消能工，糙條聯(lián)合導(dǎo)流墩消能工布置在彎道內(nèi)更加節(jié)約工程投資，且施工較方便。

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【責(zé)任編輯 張華巖】