透水斜檻參數(shù)對溢洪道彎道水流改善效果的影響

張 靖，滕曉敏，張慶華

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.濟南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250022)

在溢洪道彎道布置斜檻是改善彎道水流的工程措施之一，利用斜檻可以對彎道中流動的水流特性進行調(diào)整，比如消減沖擊波，減小橫斷面上的水位差等。國內(nèi)外對此進行了較多的研究，取得了較為豐富的研究成果。Knapp[1]首次提出在彎道底部沿渠底橫向設(shè)置與水流方向呈一定角度的斜墻(即斜檻)來調(diào)整彎道水流，用來降低彎道凹凸岸水面差；陳鑫蓀[2]為解決輸水洞彎道急流中出現(xiàn)的沖擊波，提出用多排斜檻迫使彎道內(nèi)的高速水流轉(zhuǎn)向，以此來抵消沖擊波的形成；楊玲霞等[3]對斜檻的形狀進行改進，用梯形斷面的斜檻來調(diào)節(jié)彎道水流中的水流運動與流場分布；吳宇峰等[4]探討了不同斜檻參數(shù)因素對導(dǎo)流效果的影響；張領(lǐng)護[5]結(jié)合實際工程對彎道內(nèi)布置不同條數(shù)的斜檻、不同斜檻布置角度的彎道水流調(diào)整效果進行了研究；魏明方等[6]在鳳凰水庫采用了導(dǎo)流墻與渠底抬高綜合的方法，改善彎道各斷面的動量分配，減小了因急流彎道而形成的沖擊波作用；余雄杰等[7]在鳳凰水庫溢洪道中泄槽彎道1/4、2/4、3/4處布置了3條角度為50°的斜檻，試驗表明使用此方法可以明顯改善彎道水流；周勤等[8]用數(shù)值模擬方法對彎道采用斜檻結(jié)合斜底方案的水流改善效果進行了模擬和探討；張潔[9]在改善溢洪道彎道水流措施中，研究了在彎道均勻布置5條角度為45°的斜檻對彎道水流的改善效果；周星等[10]以某核電站廠區(qū)山洪消能工程為例，探討了斜檻的間距、角度等影響斜檻設(shè)計的因素，并根據(jù)試驗結(jié)果提出了合理的斜檻設(shè)計方法；王鑫等[11]比較了布置5道矩形與梯形斜檻的彎道流態(tài)調(diào)整效果，認為矩形斜檻優(yōu)于梯形斜檻；Pagliara等[12]通過物理模型試驗，研究了堆石形成的斜檻的水流特性，并對沖刷效果進行了研究；張婧等[13]通過對不同形狀結(jié)構(gòu)體對河道水流在占寬度比、阻流面積比和阻流流量比等方面的影響進行了研究；滕曉敏等[14-15]對溢洪道泄槽彎道布置透水斜檻的水流特性及水流改善效果進行了試驗研究。

以上研究表明，斜檻是改善溢洪道彎道水流條件的有效工程措施之一。但由于不透水斜檻在高速水流情況下，斜檻背水一側(cè)可能出現(xiàn)無水低壓區(qū)，發(fā)生氣化現(xiàn)象，從而造成對斜檻的破壞[16]。因此，本文提出了透水斜檻，并對彎道水流改善效果進行了初步分析[15]。在此基礎(chǔ)上，分析檻高、斜檻透水率、斜檻條數(shù)對彎道水流改善效果的影響，為進一步研究透水斜檻及其工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗?zāi)Ｐ椭黧w為溢洪道泄槽，包括上下游直段和彎道段。模型泄槽采用矩形斷面，凈寬b=500 mm，彎道中心線半徑R=1 200 mm，中心角為71.62°，底坡為0.02。透水斜檻在彎道段等間距布置，斜檻軸線與彎道半徑角度為45°。透水斜檻方案設(shè)計考慮的因素包括斜檻條數(shù)、檻高、斜檻透水率(斜檻透水孔面積與斜檻面積之比)等，試驗方案見表1，其中檻高h=20 mm、30 mm、40 mm分別為低檻、中檻、高檻方案，方案16彎道段不采用任何工程措施，為對比方案。圖1為5條透水斜檻布置示意圖。透水斜檻為矩形斷面，長度為710 mm(與彎道凹凸岸不連接)，厚度為10 mm，采用圓形透水孔，透水孔徑見表1。

圖1 溢洪道彎道斜檻布置(單位：mm)

表1 透水斜檻試驗方案

1.2 試驗測量

a.水位測量。模型段垂直水流方向設(shè)置17個測量橫斷面(圖2)，其中彎道段均勻布置13個橫斷面，斷面編號為3—3、4—4、…、15—15。沿水流方向?qū)ΨQ布置5條縱向測線(A—A、B—B、…、E—E)，包括泄槽底板中心線、距中心線兩側(cè)1/4槽寬處、左右邊墻處縱橫斷面的交點為水位測點。水位測量采用重慶華正水文儀器有限公司生產(chǎn)的SX40-1型數(shù)顯水位測針。

圖2 水位測點布置

b.試驗流量。每個試驗方案的5種流量分別為50 m3/h、80 m3/h、100 m3/h、120 m3/h和150 m3/h，試驗流量滿足溢洪道泄槽水流為急流的條件，即不設(shè)置斜檻時，溢洪道彎道開始處的弗勞德數(shù)Fr大于1.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 分析指標(biāo)

以彎道水面均勻度、彎道水面均勻度提高率、彎道橫斷面最大水面差及彎道橫斷面最大水面差減少率4個指標(biāo)分析透水斜檻參數(shù)對彎道水流改善效果的影響[13-15]。

彎道水面均勻度按下式計算：

(1)

(2)

彎道水面均勻度提高率按下式計算：

(3)

式中：fc為彎道水面均勻度提高率；fcj為第j個橫斷面的水面均勻度提高率；fwej、fwnj分別為有、無斜檻情況下第j個橫斷面水面均勻度。

彎道橫斷面最大水面差按下式計算：

Δhm=max|hj1-hj2|

(4)

式中：Δhm為彎道橫斷面凹凸岸最大水面差；hj1、hj2分別為彎道第j個橫斷面處凹、凸岸水深。

彎道橫斷面最大水面差減少率按下式計算：

(5)

式中：fd為彎道橫斷面最大水面差減少率；Δhme、Δhmn分別為有、無斜檻情況下彎道橫斷面最大水面差。

2.2 水面均勻度、水面均勻度提高率、最大水面差減少率影響分析

依據(jù)各方案5種流量下測量斷面測點水深的試驗結(jié)果，得到各試驗方案的水面均勻度、水面均勻度提高率、最大水面差減少率，見表2。由表2可知：①各種透水斜檻條件下彎道水面均勻度均大于無斜檻條件，水面均勻度提高率及最大水面差減少率均大于0；②彎道布置透水斜檻后水面均勻度介于86.6%～94.4%之間，水面均勻度相比之前提高了16.9%～40.5%，最大水面差減少率超過25.9%。說明彎道布置透水斜檻能夠改善彎道水流，使彎道水流更加均勻，因此彎道設(shè)置透水斜檻是可行的。

表2 不同斜檻條數(shù)、不同檻高下的水面改善效果

2.2.1斜檻條數(shù)的影響

依據(jù)表2可知：①最大水面差減少率隨著彎道布置斜檻數(shù)量的增加而增加；②斜檻條數(shù)對均勻度和提高率影響較小，對水面差減少率影響較大。

2.2.2檻高的影響

依據(jù)表2可知：①最大水面差減少率隨著彎道布置檻高的增加，彎道水面改善效果指標(biāo)增加。②檻高對均勻度和提高率影響較小，對水面差減少率影響較大。③不同的檻高，水面差減少率差別較大。雖然斜檻數(shù)量對彎道水面均勻度和提高率也有一定的影響，但當(dāng)斜檻數(shù)量超過一定條數(shù)時，其影響并不大。由表2可知，4條和5條斜檻的彎道水面均勻度平均值分別為92.8%、93.2%，相差僅為0.4%，水面均勻度提高率平均值分別為30.8%、31.3%，相差僅為0.5%。

2.2.3斜檻透水率的影響

表3為5條斜檻時不同透水率下的水面改善效果，表中各水面改善效果值均采用5種流量的平均值。由表3可知：透水率對彎道水面均勻度改善效果有一定影響，但不同檻高透水率的影響規(guī)律不一樣，低檻(檻高20 mm)條件下，透水率越低彎道水面改善效果越好；而中高檻(30 mm、40 mm)條件下，透水率大的相對較好，但不同透水率相同流量、檻高條件下，彎道水面均勻度及提高率值差別不大。低檻條件下透水率對水面改善效果影響較大，透水率越低越好；而中高檻不同透水率之間水面的改善效果差別不大。因此，就檻高和透水率而言，檻高是影響彎道水面改善效果的主要因素。

表3 5條斜檻不同透水率下的水面改善效果

2.2.4Fr的影響

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制不同斜檻條數(shù)及檻高條件下，F(xiàn)r分別為1.35、1.28、1.23、1.22、1.19時的水面均勻度提高率，見圖3。由圖3 可知，相同斜檻條數(shù)下，彎道水面均勻度提高率隨來流的Fr增加而增加。由此說明，彎道來流的Fr對彎道水面改善效果有影響，F(xiàn)r越大，水流改善效果越明顯。

2.3 彎道橫斷面最大水面差分析

2.3.1斜檻透水率的影響

根據(jù)彎道布置5條斜檻的水深試驗結(jié)果，繪出檻高分別為20 mm、30 mm、40 mm，不同流量、不同斜檻透水率條件下，彎道橫斷面最大水面差如圖4所示。

圖4 不同流量、不同透水率下彎道段橫斷面最大水面差

由圖4可知：①各種檻高和透水率情況下，彎道設(shè)置透水斜檻后的最大橫斷面水面差均小于彎道無斜檻情況；②除個別情況(檻高30 mm，流量80 m3/h)外，斜檻透水率最小的彎道橫斷面水面差最小，透水率最大的斜檻彎道橫斷面水面差最大；③不同透水率的彎道橫斷面最大水面差值差別較大(流量50 m3/h除外)，不同透水率的彎道橫斷面最大水面差值相差不大；④最大水面差出現(xiàn)4處負值，即凸岸水面比凹岸高，而且檻高越大、流量越小，越容易出現(xiàn)這種情況。

上述分析說明：透水斜檻能夠減少彎道橫斷面最大水面差。一般情況下，透水率越少彎道橫斷面最大水面差越小、減少率越大，但從最大水面差的數(shù)值看，低檻的不同透水率對水面差的影響較大，而中高檻條件下不同透水率之間的差別不大。另外，中高檻在小流量條件下，彎道橫斷面最大水面差可能出現(xiàn)負值，即在最大水面差斷面凸岸水面比凹岸高。

2.3.2檻高的影響

根據(jù)試驗結(jié)果，得出彎道分別布置3條、4條、5條斜檻，檻高分別為20 mm、30 mm、40 mm條件下，彎道橫斷面最大水面差及減少率，如圖5所示。

圖5 不同斜檻條數(shù)及檻高下彎道段橫斷面最大水面差

由圖5可知：①各種斜檻條數(shù)及流量條件下，不同檻高對應(yīng)的彎道橫斷面最大水面差有較大的差別，以檻高40 mm的水面差最小(除3條斜檻流量150 m3/h外)，檻高20 mm的最大(除3條斜檻流量80 m3/h、100 m3/h外)；②4條斜檻在流量50 m3/h、5條斜檻在流量50 m3/h、80 m3/h、100 m3/h時，彎道最大水面差為負值。說明當(dāng)流量一定時，增加檻高和條數(shù)能夠使凹凸岸水面改變，使凸岸水面高于凹岸水面。

上述分析說明，檻高對斷面最大水面差有較大影響，相同流量條件下，檻高越大橫斷面最大水面差越小，而且當(dāng)斜檻達到一定數(shù)量時，中高檻在小流量條件下，彎道橫斷面最大水面差可能出現(xiàn)負值，即最大水面差所在斷面的凸岸水面比凹岸高。

2.3.3透水斜檻數(shù)量的影響

根據(jù)試驗結(jié)果，得出彎道檻高分別為20 mm、30 mm、40 mm，不同斜檻條數(shù)條件下彎道橫斷面最大水面差及減少率，如圖6所示。由圖6可知：①除個別情況外，5條斜檻的彎道橫斷面最大水面差最小，3條斜檻的最大，而且從水面差數(shù)值看差別較大；②當(dāng)斜檻條數(shù)增加到一定數(shù)量時，最大水面差所在斷面的凸岸水面高于凹岸。由此說明，彎道布置的斜檻數(shù)量對橫斷面最大水面差有影響，一般情況下斜檻數(shù)量越多，彎道橫斷面最大水面差越小，斜檻數(shù)量達到一定數(shù)量時，最大水面差斷面的凸岸水面高于凹岸。

圖6 不同斜檻條數(shù)下彎道段橫斷面最大水面差

2.3.4流量的影響

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制彎道分別布置3條、4條、5條斜檻，以及50 m3/h、80 m3/h、100 m3/h、120 m3/h、150 m3/h 這5種流量下的彎道段最大水面差，如圖7所示。由圖7可知，相同斜檻條數(shù)、相同檻高和透水率條件下，彎道段橫斷面最大水面差隨流量的增大而增大。

圖7 不同流量下彎道段橫斷面最大水面差

2.4 彎道水面改善效果預(yù)測模型

由上述分析可知，在彎道軸線半徑、彎道底坡一定的條件下，彎道水面改善效果與斜檻的布置條數(shù)、檻高、透水率等因素有關(guān)。本文依據(jù)表1中不同參數(shù)透水斜檻得到75組彎道水面改善效果數(shù)據(jù)，利用回歸分析方法，得到彎道水面均勻度、彎道水流均勻度提高率和彎道橫斷面最大水面差減少率預(yù)測模型如下：

(6)

(7)

(8)

式中：fw、fc、fd分別為彎道水面均勻度、彎道水流均勻度提高率和彎道橫斷面最大水面差減少率；N為彎道布置的斜檻條數(shù)；S為斜檻透水率；d為透水檻高；Δhz為彎道沒有任何工程措施條件下的彎道橫斷面最大水面差。Δhz可按下式計算：

(9)

式中：b為泄槽寬度；v為斷面平均流速；R為彎道軸線半徑；g為重力加速度。

彎道橫斷面最大水面差可按下式估算：

Δhm=Δhz(1-fd)

(10)

工程設(shè)計時，在彎道水面估算目標(biāo)確定后，透水斜檻的初步尺寸可按照式(6)～(8)估算。例如，某溢洪道泄槽彎道段在沒有工程措施時，按式(9)估算的橫斷面最大水面差為2.5 m，由此在彎道內(nèi)沿軸線均勻布置45°的透水斜檻以改善彎道水流條件。改善目標(biāo)為：彎道水面均勻度為90%左右，水面均勻度提高率為30%左右，最大水面差降低率為60%左右。利用式(1)～(3)經(jīng)試算可知，方案1：彎道布置6條斜檻、檻高0.8 m、透水率為30%時，彎道水面均勻度為91.2%，水面均勻度提高率為24.8%，最大水面差降低率為58.9%；方案2：彎道布置5條斜檻、檻高1.0 m、透水率為30%時，彎道水面均勻度為91.6%，水面均勻度提高率為26.9%，最大水面差降低率為60.9%。上述兩個方案的改善結(jié)果與目標(biāo)值比較接近，均可作為透水斜檻的初步方案，最終可通過模型試驗或綜合分析確定。

3 結(jié) 論

a.本試驗彎道設(shè)置透水斜檻后，彎道水面均勻度平均為91.9%，提高率為29.5%，彎道橫斷面最大水面差減少率為63.9%。因此，彎道設(shè)置透水斜檻能夠改善彎道水流條件，提高彎道水面均勻度，降低彎道橫斷面最大水面差。

b.斜檻的高度、透水率、條數(shù)等參數(shù)對彎道水面改善效果有影響，其中檻高和布置條數(shù)影響較大，而不同透水率之間的改善效果相差不大。①檻高：在相同流量情況下，高檻比低檻水面改善效果好。從彎道水面均勻度提高率看，相同檻高條件下，流量越小，水流改善效果越好；檻高對彎道橫斷面最大水面差有較大影響，相同流量條件下，檻高越大橫斷面最大水面差越小，水面差減少率越大。當(dāng)斜檻數(shù)量達到一定數(shù)量時，中高檻在小流量條件下，彎道橫斷面最大水面差可能出現(xiàn)負值，即在最大水面差斷面凸岸水面比凹岸高。②斜檻透水率：低檻條件下透水率對水面改善效果影響較大，透水率越低越好；而中高檻不同透水率之間水面的改善效果差別不大。③斜檻條數(shù)：增加透水斜檻條數(shù)能夠改善彎道水面效果，尤其在中低檻、大流量條件下更為明顯；一般情況下斜檻數(shù)量越多，彎道橫斷面最大水面差越小，水面差減少率越大，斜檻數(shù)量達到一定數(shù)量時，最大水面差斷面凸岸水面高于凹岸。④彎道來流的Fr對彎道水面改善效果有影響，F(xiàn)r越大水流改善效果越明顯。

c.利用回歸分析得到的考慮透水斜檻參數(shù)的彎道水面改善效果預(yù)測模型簡單實用，可用于初步確定透水斜檻布置及參數(shù)，供工程設(shè)計參考。