防洪壩潛躍條件下地埋式消力池水力設(shè)計(jì)

葛慶斌

(費(fèi)縣水利工程保障中心,山東 臨沂 273400)

0 引 言

消力池是位于大壩底部出水口、斜槽和涵洞下方的水工結(jié)構(gòu)[1-2]。這種結(jié)構(gòu)的主要目的是消散流出的多余能量,以減少河流系統(tǒng)中出現(xiàn)不良沖刷的風(fēng)險(xiǎn)。以往關(guān)于地下消力池中的水躍研究可分為3大類:僅在水槽寬度突然增大時(shí)的水躍;僅在河床處突然下降;以及突然膨脹和突然下降的組合。而對突擴(kuò)突降水躍的研究大多是通過調(diào)節(jié)尾水位進(jìn)行的,但與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn);在目前的研究中,沒有對尾水進(jìn)行控制,水躍是由端檻強(qiáng)制的,與實(shí)際情況類似。但仍解決受限復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)的強(qiáng)制水躍問題[3-5]。

本研究通過實(shí)驗(yàn)研究了消力池中強(qiáng)制水躍的水力特性,并嘗試在不同的水力和幾何條件下對其可能的流動(dòng)模式進(jìn)行分類。利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出了一種基于消力池下游水流要求的消力池內(nèi)強(qiáng)制淹沒水躍的設(shè)計(jì)方法。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

文章構(gòu)建的模型是由一個(gè)寬0.5m、深0.5 m、長9 m的水平矩形水槽組成。在整個(gè)模型中,使用離心泵支持循環(huán)水系統(tǒng)。上游供水箱配備了一個(gè)校準(zhǔn)的90°V形切口堰。采用點(diǎn)規(guī)測量了V形槽堰上方的水頭,然后使用平均時(shí)間體積法得到水頭與相應(yīng)流量之間的關(guān)系。在主蓄水池內(nèi)部安裝了兩個(gè)穿孔板,以實(shí)現(xiàn)底部出口的層流流出流量;因此,厚度等于底部出口的均勻超臨界流最終進(jìn)入消力池[6]。模型設(shè)置的側(cè)面和平面示意圖,如圖1所示。

圖1 模型設(shè)置的側(cè)面和平面示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)測量

所有實(shí)驗(yàn)的基本數(shù)據(jù)收集過程都是相同的。從消力池的側(cè)面和平面視圖拍攝數(shù)碼照片,并使用高分辨率數(shù)碼相機(jī)記錄視覺觀察。使用水位計(jì)測量整個(gè)消力池的水深及其波動(dòng),水位計(jì)的采樣頻率設(shè)置為50 Hz。使用電磁流量計(jì)在不同的橫截面和縱截面上測量速度的三維分量。在每個(gè)截面上以2.5 cm間隔測量流速。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用了不同的消力池幾何形狀:消力池長度(L=75、100和125 cm)、跌落高度(s=5、10和15 cm),所有實(shí)驗(yàn)的消力池寬度相同,即為水槽寬度B=50 cm。對于不同的消力池幾何構(gòu)型,系統(tǒng)地檢查了不同高度(he=0、4、8、12和13.5 cm)的端檻幾何構(gòu)型,以獲得最佳情況。端檻垂直放置在正臺(tái)階上方,并垂直于水槽的縱軸。除了底部出口處3種不同的超臨界流弗勞德數(shù)(即Fr1=2.8、4.9和5.1),只檢查了底部出口的一個(gè)維度(h1=5cm和b1=10 cm),因此,得到了k=0.2(k=b1/B)的膨脹比,與防洪壩的平均實(shí)際膨脹比相似。表1顯示了本研究中考慮的實(shí)驗(yàn)條件。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

2 結(jié)果與討論

2.1 地下消力池的消能效果

根據(jù)不同的歸一化參數(shù)繪制歸一化速度降低圖,以便更好地了解其對消力池內(nèi)消散機(jī)制的影響。當(dāng)Fr=2.8-5.1和s/h1=3時(shí),消力池內(nèi)的歸一化速度降低與L/B的周期性和穩(wěn)定水躍見圖2。

圖2 消力池內(nèi)的歸一化速度降低與L/B的周期性和穩(wěn)定水躍

圖2顯示了作為歸一化消力池長度(L/B)的函數(shù),截面I和II之間的歸一化速度降低U1-U2/U1。U1是初始出口速度,U2是端檻上游的最大速度。在短消力池情況下(L/B=1.5),端檻高度的變化會(huì)導(dǎo)致歸一化速度降低發(fā)生很大變化,然而,對于長消力池(L/B=2,3),端檻高度的變化會(huì)導(dǎo)致歸一化速度降低發(fā)生微小的變化。結(jié)果表明,與較長的消力池相比,較短的消力池中歸一化速度降低更多地取決于歸一化端檻高度he/hc?？傮w趨勢表明,增加歸一化消力池長度會(huì)增加速度降低的幅度。

2.2 地下消力池設(shè)計(jì)步驟

2.2.1 確定連續(xù)深度

綜上所述,考慮消力池的中等端檻和落差可以有效地降低流速。此外,這種端檻和落差的組合產(chǎn)生了穩(wěn)定淹沒流。因此,僅針對穩(wěn)定淹沒流提出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

為了計(jì)算強(qiáng)制淹沒水躍的連續(xù)深度h2,在忽略河床剪應(yīng)力的情況下,截面I和II之間應(yīng)用動(dòng)量方程公式為:

(1)

Y23-(Y32+2Y3S+S2+2Fr12k)Y2+2Fr12k2=0

(2)

式中:Y2為歸一化序列深度,Y2=h2/h1,S為跌落數(shù),S=s/h1,k為膨脹比,k=b1/B。

2.2.2 確定端檻高度

在水平軸上選擇端檻下游的期望弗勞德數(shù)(Fr4),再在垂直軸上找到相應(yīng)的he/h4值。消力池下游h4處的水深可根據(jù)選定的Fr4和設(shè)計(jì)流量計(jì)算。端檻上的能量可使用臨界深度(hc)和端檻高度(he)來計(jì)算。若假設(shè)在端檻上自由落體流沒有能量損失,則消力池下游的能量等于端檻頂部的能量,如下式所示:

(3)

2.2.3 確定消力池長度

正確估計(jì)消力池長度(L)和端檻位置是至關(guān)重要的。如果端檻距離出口太近,則沒有足夠的空間來誘發(fā)水躍。消力池長度(L)可使用等式4獲得。

(4)

式中:HL為由于水躍引起的水頭損失;H1為落差面處的總水頭,可定義為:

(5)

2.2.4 確定跌落高度

可使用圖3中的穩(wěn)定水躍數(shù)據(jù)找到下落高度s。hc、L、B和he的已知值及與穩(wěn)定水躍數(shù)據(jù)擬合的線性方程可提供用于設(shè)計(jì)步驟的落差高度適當(dāng)估計(jì)。

圖3 消力池幾何參數(shù)和水躍類型

2.2.5 消力池的擬議設(shè)計(jì)步驟

對于上游端為負(fù)臺(tái)階、下游端為端檻的消力池水平護(hù)坦,可提出以下設(shè)計(jì)步驟:

1)給定上游邊界條件,包括設(shè)計(jì)流量Q、底部出口尺寸b1和h1、接近弗勞德數(shù)Fr1和河道寬度B。

2)使用上游邊界條件計(jì)算臨界深度hc。

3)考慮到穩(wěn)定的淹沒水躍,選擇合適的he和L,然后選擇s。

4)在假設(shè)沒有能量的情況下,檢查從端檻下游獲得的水深h4和下游弗勞德數(shù)Fr4。如有必要,可通過考慮端檻上自由落體流的能量損失,使用計(jì)算修改后的h4。

5)重復(fù)步驟2～3,直到下游條件達(dá)到可接受水平。

3 結(jié) 論

文章研究了地下消力池(消力池)內(nèi)的強(qiáng)制水躍。消力池內(nèi)觀察到的流型分為五大類,其主要控制參數(shù)為端檻高度he和消力池長度L,而Fr1的變化對消力池內(nèi)的流型和能量損失函數(shù)沒有顯著影響。并得出以下結(jié)論:

1)中等消力池長度與中等端檻高度(1.6

2)由于端檻上的自由落體流,高端檻可能會(huì)對下游速度產(chǎn)生負(fù)面加速。

3)消力池的中等深度對速度降低有積極影響,但進(jìn)一步增加深度則對速度降低和設(shè)計(jì)成本均無好處。最佳跌落數(shù)會(huì)因弗勞德數(shù)的不同而不同,一般來說,弗勞德數(shù)越高,消力池越深。