韓偉濛 郄志紅 苗臣偉 吳鑫森

摘要：突擴多孔水閘開啟少數(shù)閘門時，閘后水流在局部范圍內(nèi)紊動劇烈，形成流態(tài)復雜的三元突擴水躍。為了探究不同突擴比對閘后水流流態(tài)的影響，基于重力相似準則，以某攔河閘為原型設計試驗模型，通過調(diào)節(jié)上下游水位、閘門開度等初始條件，對突擴比分別為0.296、0.378、0.552、0.630四種空間突擴水躍進行了多種工況下的模擬。在忽略渠道摩阻力條件下，對形成的抵檔水躍所需尾水水深的公式進行了修正，發(fā)現(xiàn)當閘門單孔流量和單寬流量相同時，二元平面水躍的躍長均大于空間突擴水躍躍長。

關鍵詞：多孔水閘；R水躍；突擴比；共扼水深比；折減系數(shù)；躍長

中圖分類號：TV653 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.023

在北方平原地區(qū)修建的多孔蓄排兼用水閘，除排水行洪期間外正常情況為部分孔開啟運行，此時消力池中不會形成典型平面二元水躍，但會形成復雜的三元突擴水躍[1-2]。消力池的池深與池長?；谄矫嫠S的下游尾水和躍長進行設計，與實際工程中消力池內(nèi)發(fā)生的水躍存在偏差。位于山東省的王營盤、慶云等幾座水閘，曾因按平面水躍進行工程設計，故閘后常發(fā)生紊動劇烈的三元水躍，遭受到嚴重的沖刷破壞。

國內(nèi)外對等寬渠道內(nèi)的二元水躍或漸擴渠道內(nèi)（擴散角一般不大于100）的三元水躍已做了大量研究[3-5]，而針對三元突擴水躍的研究相對較少。Ra-jaratnam等[6]曾對三元突擴水躍進行了較系統(tǒng)的研究，通過探究下游渠道尾水深度與產(chǎn)生水躍形式的關系，將兩種亞臨界狀態(tài)的三元突擴水躍分為抵擋水躍（簡稱R水躍）和穩(wěn)定水躍（簡稱S水躍）。當下游無水或水深較淺時下泄的急流將自由擴散到渠道兩側(cè)，隨著下游水深的增加，躍前斷面向上游移動，躍首與流向正交，水躍逐漸到達極限狀態(tài)，將這種條件下的水躍定義為抵擋水躍。但其并未對多孔水閘部分孔開啟時閘后形成的三元突擴水躍進行研究。當水流進入閘室時側(cè)向收縮，在閘墩附近產(chǎn)生立軸旋渦，上下游的水面線不連續(xù)等情況均與Rajaratnam等的試驗研究條件不同。

本文通過建立試驗模型，研究在不同的突擴比下，R水躍的形成與尾水深度的關系，并對二元水躍與R水躍的躍長進行比較。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗模型的設計

以某攔河閘為原型設計試驗模型。水閘為7孔，閘孔高4.7m、寬8.0m，單孔設計流量為123.00m3/s，設計上游水位5.58m，閘后未設置消能設施。按照重力相似準則，以1：100的幾何比尺設計概化試驗模型。模型比尺如下：長度比尺λL=100，流速比尺λV=λL0.5=10，流量比尺λQ=λL2.5=100000。

本試驗采用潛水泵循環(huán)供水系統(tǒng)供水，試驗模型由上游渠道段、閘室段和下游渠道段組成。渠道上游設置泄水孔以調(diào)節(jié)上游水位，下游用擋板調(diào)節(jié)下游水位。試驗裝置主體部分如圖1所示。

1.2 試驗方法

試驗選定4個突擴比β（泄流寬b與渠道寬B的比值），即0.296、0.378、0.552、0.630。當選定突擴比β=0.296時，將渠道改為一側(cè)邊孔和一側(cè)6孔的形式，其中邊孔內(nèi)發(fā)生典型的二元水躍，可與三元水躍的流態(tài)進行對比，試驗時6孔水閘開啟中部兩孔；β=0.552時，將渠道改為左右2個邊孔和中部5孔的形式，試驗時開啟中部3孔，2邊孔作為對照孔；β=0.378和β=0.630時，渠道與7孔閘門等寬，無對照孔，分別開啟中間3孔和5孔。

通過泄水孔與擋板調(diào)控上下游水位，改變閘門的開度、開啟數(shù)，模擬多種工況下R水躍的水流，研究R水躍的共軛水深比η以及受閘墩長度影響的變化規(guī)律，渠道斷面示意見圖2。

2 R水躍的水流特性

多孔水閘開啟部分孔時，過閘水流近似以射流運動形式沿程擴散。在邊界條件約束下，主流擴散至渠道邊壁后發(fā)生折射，流向改變，在下游形成主流區(qū)水躍和兩側(cè)副流區(qū)，如圖2所示。主流區(qū)水流流速較大，水位較低，而兩側(cè)副流區(qū)水流因邊壁的摩阻影響而造成的能量損失比中部主流多，流速減小，水位升高。當下游無水或水位較低時，下泄水流將擴散到整個渠道寬度，并產(chǎn)生連續(xù)折射的菱形波[7]。當水位升高時，貼底射流行進至下游逆壓強梯度區(qū)形成表面旋滾，產(chǎn)生較小寬度的水躍。其躍首與主流流向正交，而副流區(qū)形成與流向呈一定角度的水躍。隨著下游水位的繼續(xù)升高，菱形波的隨機干擾減小，躍前斷面前移，主流區(qū)水躍寬度不斷增加，副流區(qū)與主流區(qū)之間的夾角逐漸減小。當夾角約為1000時主流區(qū)躍寬最大，副流區(qū)與主流區(qū)之間呈弧形銜接。在這種下游水位條件下形成的水躍定義為抵擋水躍。若下游水位進一步升高，則在突擴拐角處形成強回流，回流區(qū)與主流區(qū)之間形成較強烈的紊動剪切層，使水躍減弱。圖3為上游水位為4.7m、開度為2m、開啟中間3孔閘門時形成R水躍的水位和流速分布圖。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 形成空間R水躍的下游水深分析

在出閘口的0-0斷面與形成R水躍的下游尾水2-2斷面間建立動量方程，假定：①兩斷面水流均為漸變流；②動量修正系數(shù)為1；③忽略兩斷面間總的河床摩阻力。得到方程：式中：γ為水的容重；Q為流量；β0和βt分別為0-0斷面和2-2斷面的動量修正系數(shù)；v0、vt分別為0-0斷面和2-2斷面的流速；g為重力加速度；b為泄水口寬度；B為渠道總寬度：h0為閘室末端的水深；h01為閘后兩側(cè)回流區(qū)水位；ht為2-2斷面水深。

（2）對空間水躍與平面水躍的躍長進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)當閘門單孔流量和單寬流量相同時，空間突擴水躍躍長均小于二元平面水躍躍長。在單寬流量相同時，空間水躍的躍長約為平面水躍躍長的0.8倍。

參考文獻：

[1]毛褪熙.閘壩泄流局部沖刷問題（三）：沖刷與消能擴散的關系[J].人民黃河，1988，10（5）：65-70.

[2]尹進步，梁宗祥，龔紅林.寬尾墩三元水躍特性試驗研究[J].水利學報，2010，41（11）：1333-1338.

[3]鄭鐵剛，戴會超，丁全林.不同突擴比下空間淹沒水躍的水力計算[J].排灌機械工程學報，2012，30（6）：670-676.

[4]羅永欽.突跌漸擴消力池體型優(yōu)化及水力特性分析[J].水力發(fā)電學報，2016，35（2）：61-66.

[5]彭誠，王均星，鄭梅玲，等.漸擴式折坡消力池的水力特性試驗研究[J].水電能源科學，2016，34（5）：110-112.

[6]RAJARAINAM N，SUBRAMANYA K.Hydraulic Jumps BelowAbrupt Symmetrical Expansions[J].Journal of the HydraulicsDivision，1968，94（2）：481-504.

[7]張志昌，李若冰，趙瑩，等.矩形明渠自由水躍區(qū)紊流邊界層的發(fā)展[J].西安理工大學學報，2013，29（3）：325-329.

[8]郭子中.消能防沖原理與水力設計[M].北京：科學出版社，1982：291.

[9]張志昌，李若冰，傅銘煥，等.矩形明渠自由水躍長度的理論分析[J].水力發(fā)電學報，2013，32（6）：108-114.