蔡松年

基于多孔板消能的彎道陡槽溢洪道模型試驗(yàn)方案對(duì)比及其改進(jìn)研究

蔡松年

（遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000）

溢洪道工程建設(shè)逐漸成為水利工程防洪、除險(xiǎn)、加固設(shè)計(jì)和施工中的重中之重。但是隨著水利壩體大空間、高體量的不斷提高，彎道陡槽溢洪道已然成為水利工程節(jié)省工程空間和體量、提高防洪蓄水能力等方面的關(guān)鍵。文章通過采用模型試驗(yàn)方法對(duì)龍屯水庫彎道陡槽溢洪道工程試驗(yàn)方案：原多孔板消能試驗(yàn)方案及其改進(jìn)的多孔板消能試驗(yàn)方案進(jìn)行了對(duì)比分析，從三個(gè)方面：水流流態(tài)特征、速度沿程分布和消能工消能率等深入展開消能研究，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)各試驗(yàn)方案的消能效果進(jìn)行了驗(yàn)證，為類似彎曲陡槽溢洪道工程設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐。

多孔板消能；對(duì)比試驗(yàn)；模型試驗(yàn)；彎道陡槽

彎道陡槽溢洪道消能工程逐漸成為水利工程建設(shè)中的重點(diǎn)工程，隨著水利工程建設(shè)的飛速發(fā)展，對(duì)消能技術(shù)方面的研究日益增多［1］。國(guó)內(nèi)外在這方面的研究主要包括：楊麗萍，梁躍，徐偉［2-3］在軟基低堰摻氣窄縫戽流消能研究基礎(chǔ)上，提出了孔板混合流消能工，該理念主要是通過對(duì)水流速度、流態(tài)和效能率進(jìn)行計(jì)算，分析孔板的消能特性，降低河水對(duì)下游的沖刷和侵蝕；唐崢嶸，栗國(guó)忱，張紹春等［4］通過底流消能技術(shù)和方法，對(duì)消力池受地形限制等問題提出了合理的解決方案；暴偉越，趙韻［5］通過引用力學(xué)水力模型，對(duì)不同孔徑比及其距徑比條件下不同孔板消能作用及其機(jī)理進(jìn)行研究，為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供了理論支撐；秦嘉楠，延耀興，張進(jìn)山［6］等針對(duì)于梯形轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置的工作機(jī)理，研究了該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部組成和構(gòu)造、運(yùn)行參數(shù)等，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)消能過程進(jìn)行了計(jì)算和分析；趙振興，何寧［7］基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，構(gòu)建了流速、壓力和紊動(dòng)能等的分布規(guī)律，為消能技術(shù)深入研究奠定基礎(chǔ)。此外，楊蒙， 顧 世 祥［8］， 汪 宏， 陳 大 明， 周 禮 軍［9］， 鄭 林平，李岳軍［10］等也對(duì)孔板消能方面進(jìn)行了深入的研究，并取得了較為豐碩的研究成果。

但是，隨著多孔消能板技術(shù)的逐步應(yīng)用，模型試驗(yàn)作為較準(zhǔn)確的研究方法和手段固然能夠?qū)装逑苓M(jìn)行深入的理論研究，但是就目前已經(jīng)出現(xiàn)多種模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，且各試驗(yàn)方案之前差別較大，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和規(guī)律也相差較大。因此，通過對(duì)各模型試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比分析，研究并確定多孔板消能作用下的水流特性至關(guān)重要，也逐漸成為溢洪道孔板消能的重要研究方向。

1 工程概況

葫蘆島市龍屯水庫為六股河支流王寶河中游大（Ⅱ）型水庫，位于葫蘆島市綏中縣高甸子鄉(xiāng)境內(nèi)，距離綏中縣城25km，水庫庫容1.15×108m3。大壩主體為粘土斜墻式砂殼壩，壩址所控制流域面積達(dá)到214km2，水庫功能主要以防洪、灌溉為主?？紤]到龍屯水庫下游鐵路、高速公路和八三管道、軍用機(jī)場(chǎng)的重要性，確定水庫永久性建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)仍為100年一遇洪水設(shè)計(jì)、采用上限5000年一遇洪水作為水庫的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)。

龍屯水庫在建設(shè)初期泄洪道泄槽及其下游地段建設(shè)不配套，局部出現(xiàn)安全隱患并尚未解決，一旦出現(xiàn)較大泄流極易引發(fā)山體滑坡、溢洪道阻塞，甚至是壩毀人亡等重大傷亡事故［11］。因此，通過對(duì)比分析多孔消能板陡槽溢洪道消能技術(shù)模型試驗(yàn)方案，對(duì)該技術(shù)作用下的水流特性進(jìn)行深入研究，可以為龍屯水庫溢洪道工程建設(shè)應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論支撐。

2 模型試驗(yàn)方案

2.1 模型比尺選擇

考慮室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨?chǎng)地、環(huán)境、室溫等因素作用，研究人員選擇室內(nèi)模型大比尺的正態(tài)模型進(jìn)行模型試驗(yàn)，如表1所示。模型試驗(yàn)材料中，有機(jī)玻璃糙率，模型糙率nm=np/λn=0.0073，均滿足模型試驗(yàn)相似比要求，見表2。

表1 模型試驗(yàn)比尺

表2 模型尺寸

試驗(yàn)過程中流量大小則采用薄壁堰進(jìn)行控制，水流通過后流回地下水庫。如圖1所示。

圖1 彎道陡槽溢洪道模型布置圖

2.2 模型試驗(yàn)方案對(duì)比

為研究多孔消能板消能工的消能特性，模型試驗(yàn)中通過選擇有多孔消能板的原設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，每次放水后2h開始量測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 水流流態(tài)特征分析

3.1 原多孔消能板陡槽溢洪道水流特征分析

對(duì)于多孔消能板溢洪道試驗(yàn)方案，在一級(jí)多孔消能板擋水情況下，導(dǎo)致上游消力池內(nèi)部水深增加，在消力池進(jìn)口上游0+250斷面處水躍后產(chǎn)生上移。在彎道陡槽作用下，池內(nèi)的水流主方向仍然流向左岸，在尾坎阻擋作用下在左岸發(fā)生涌浪現(xiàn)象，此時(shí)水面高度明顯高于右岸。在消力坎阻擋作用下，左岸主流經(jīng)消力池回流到右岸，產(chǎn)生垂直方向上的漩滾。此時(shí)，在右岸邊墻圍擋作用下，水流由左向右沿消力池底板回流，產(chǎn)生垂直方向上的漩滾。

圖2 原設(shè)計(jì)方案陡槽溢洪道水流流態(tài)圖

通過圖2可知，對(duì)于多孔消能板，在消能板擋水條件下，加大了消能板板前水深。當(dāng)水流流經(jīng)該板面時(shí)，通過板頂并產(chǎn)生涌浪現(xiàn)象，但原設(shè)計(jì)方案多孔消能板的孔面積比較大，通過孔的水量較多，板前未能形成反向漩滾，導(dǎo)致產(chǎn)生水躍。因此，多孔消能板沒有起到預(yù)計(jì)應(yīng)有的消能作用。在陡槽溢洪道上設(shè)置了多孔消能板之后，對(duì)上游彎道引起的水流折沖起到調(diào)整作用，使高速下泄的主流偏折幅度減輕，但仍有水流偏折現(xiàn)象。

表3 模型試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比

圖3 原設(shè)計(jì)方案陡槽溢洪道下游二級(jí)消力池流態(tài)圖

通過圖3原設(shè)計(jì)方案消力池水流流態(tài)可知：在多孔消能板阻擋和調(diào)整作用下，主流發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)強(qiáng)度逐漸減弱，但是水流基本上呈對(duì)稱狀態(tài)流動(dòng)。在溢洪道末端下泄水流，隨著水流阻力的逐漸增大，水流能量部分消除，導(dǎo)致溢洪道末端水流流速減小，消力池內(nèi)形成淹沒水躍，池內(nèi)豎向漩滾及縱向漩滾消失，水流流速及流量沿橫向基本對(duì)稱分布。消力池末端及其下游水面比無多孔消能板的陡槽溢洪道平穩(wěn)得多［12］。

3.2 改進(jìn)方案研究

（1）水流流態(tài)特征分析

圖4～圖6給出改進(jìn)方案的水流流態(tài)特征。

圖4 改進(jìn)方案一級(jí)消力池的流態(tài)特征

圖5 改進(jìn)方案陡槽溢洪道的流態(tài)特征

圖6 改進(jìn)方案二級(jí)消力池流態(tài)特征

通過圖4可知，在上調(diào)一級(jí)孔板后，使得水躍上移，上游水位壅高，消力池內(nèi)部水面波動(dòng)逐漸變小，彎道處一級(jí)消力池內(nèi)水流更加平穩(wěn)，彎道造成的水流偏折現(xiàn)象完全消失，水流間歇性竄升不存在了，消力池內(nèi)也沒有了豎向漩滾、縱向漩滾和橫向漩滾［13］。

通過減小孔板間距，孔面積比減小，孔板之間產(chǎn)生較多的水面漩滾，水流的消能率增大，一級(jí)孔板前沒有明顯的水躍，一級(jí)孔板至五級(jí)孔板，躍前斷面位于相鄰兩孔板間中部，五級(jí)孔板至七級(jí)孔板，躍前斷面到下游孔板距離為2/3孔板間距。另外通過孔板作用主流的折沖轉(zhuǎn)向的不良流態(tài)消失，進(jìn)入二級(jí)消力池水流基本對(duì)稱，二級(jí)消力池內(nèi)形成充分的淹沒水躍，躍后水面平穩(wěn)，尾水無波動(dòng)，水深變小。如圖5和圖6所示。

（2）速度沿程分布及其各級(jí)消能工消能率的計(jì)算

當(dāng)經(jīng)過彎道產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)和折沖，在消流和整流作用下，水流逐漸消失，導(dǎo)致溢洪道各斷面水流保持均速流動(dòng)。與原設(shè)計(jì)方案多孔消能板陡槽溢洪道上各斷面的流速值相比較，改進(jìn)方案的速度值明顯減小，尤其在鉛絲石籠末端斷面處，最大流速達(dá)到［14］。右岸附近速度值偏大，但左右兩岸差值較小。該斷面流速值能夠滿足工程要求，各斷面水流能量采用式（1）計(jì)算，即：

式中，E—水流能量，m；z—槽底高程，槽底到基準(zhǔn)面的垂直距離，m；h—水深，m；v—水流流速，m/s。

多孔消能板的消能率采用式（2）計(jì)算。

式中，E1—陡槽溢洪道進(jìn)口斷面單位重量液體所攜帶的總能量，m；E2—陡槽溢洪道出口斷面單位重量液體所攜帶的總能量，m。

表4 各級(jí)消能工的消能率

根據(jù)表4數(shù)據(jù)分析可知：經(jīng)過改進(jìn)方案的多孔消能板模型試驗(yàn)彎道陡槽溢洪道的總消能率最大到達(dá)60%以上，多孔消能板的消能率占總消能率的90%，這主要是因?yàn)槎嗫紫馨宓南茏饔?。在一?jí)、二級(jí)消力池作用下容易導(dǎo)致淹沒水躍的發(fā)生，并隨著其淹沒程度的逐漸增大，消能率逐漸較低。這與原設(shè)計(jì)方案相比，其消能率明顯比原設(shè)計(jì)方案大。

此外，與原設(shè)計(jì)方案消能率相比較，雖然改進(jìn)方案的消能率增加的不多，但由0+704斷面流速分布狀況來看，降低到工程所要求的流速范圍，能滿足流速要求，而原設(shè)計(jì)方案0+704斷面流速不能滿足工程要求。因此，改進(jìn)方案的消能效果明顯優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)方案是可行的。

4 結(jié)語

水利工程建設(shè)中，彎道陡槽溢洪道已然成為水利工程節(jié)省工程空間和體量、提高防洪蓄水能力等方面的關(guān)鍵。本文依托于葫蘆島市龍屯水庫溢洪道設(shè)計(jì)和施工工程，通過確定模型比尺和試驗(yàn)材料進(jìn)行模型試驗(yàn)，對(duì)比分析了無孔板消能模型試驗(yàn)、多孔板消能模型試驗(yàn)及其改進(jìn)的多孔板消能模型試驗(yàn)，并從溢洪道水流流態(tài)特征、速度沿程分布及其各級(jí)消能工消能率的計(jì)算等三大方面對(duì)多孔板消能進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了改進(jìn)方案的消能效果，為溢洪道工程的防洪加固提供技術(shù)支撐。但是，值得注意的是，隨著社會(huì)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，在水利工程溢洪道智能化、自動(dòng)化消能方面的研究和利用越來越高，仍需要在該方面進(jìn)行更進(jìn)一步的探索。

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1008-1305（2017）05-0080-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.026

2017-03-20

蔡松年（1968年—），男，工程師。