孫德旭，牧振偉，李凡琦，賈萍陽(yáng)，張紅紅

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

溢洪道是水庫(kù)主要泄水建筑物之一。從水力學(xué)觀點(diǎn)看，溢洪道軸線宜取直線、等寬對(duì)稱布置，從而保證水流順暢下泄。而在實(shí)際工程中，由于施工條件、地形等方面的原因，不得不采用轉(zhuǎn)彎或變寬布置，所以在平面上布置成圓弧形狀的彎道形式[1-2]。當(dāng)水流進(jìn)入彎道后，由于受到離心力作用，在整個(gè)斷面內(nèi)形成封閉狀態(tài)的橫向環(huán)流，致使彎道內(nèi)產(chǎn)生了水面超高、橫向沖擊波等問(wèn)題[3]。其形態(tài)與演變密切關(guān)系到防洪、水利開(kāi)發(fā)、航道治理等，是水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域相當(dāng)棘手的重要課題。

彎道的研究一直備受眾多學(xué)者關(guān)注。謝謙城等[4]通過(guò)對(duì)連續(xù)彎段水流特性研究，發(fā)現(xiàn)縱向垂直平均流速對(duì)河床演變的影響；邱秀云等[5]采用消能柵和導(dǎo)流消能板新措施，通過(guò)消、導(dǎo)結(jié)合的方法，成功解決了大底坡急流彎道水流流態(tài)的問(wèn)題；魏祖濤等[6]通過(guò)模型試驗(yàn)研究，分析了實(shí)際工程可通過(guò)加糙來(lái)穩(wěn)定彎道及其下游流態(tài)；白兆亮等[7]、徐樂(lè)等[8]通過(guò)樞紐工程模型試驗(yàn)，給出實(shí)際工程達(dá)到良好引水穩(wěn)流效果的指導(dǎo)建議；王田田等[9]對(duì)溢洪道泄槽彎道段設(shè)置導(dǎo)流墻對(duì)水流特性影響做了實(shí)驗(yàn)研究。孫娟等[10]、李錦艷等[11-12]對(duì)“635”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做了試驗(yàn)研究；以上方法均可以用來(lái)消減彎道環(huán)流及沖擊波，改善溢洪道內(nèi)水流流態(tài)。本文借助物理模型試驗(yàn)方法，通過(guò)在溢洪道彎道段布設(shè)不同形式的輔助消能工，分析彎道設(shè)置單一導(dǎo)流墩和導(dǎo)流墩糙條聯(lián)合布設(shè)形式對(duì)水面結(jié)構(gòu)改善效果、凹凸岸水面差及水流動(dòng)力軸線的影響，進(jìn)而闡明彎段溢洪道導(dǎo)流墩、糙條對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響。

2 試驗(yàn)概況

2.1 模型裝置

新疆引額濟(jì)克“635”水庫(kù)溢洪道有5個(gè)彎道段，當(dāng)溢洪道下泄流量為800 m3/s流量時(shí)，凹凸岸水深及流速相差較大，兩彎道之間的順直段無(wú)法滿足水流流出彎道后縱向流速分布至正常所需要的調(diào)整段長(zhǎng)度。為了解決彎道水流飛濺紊亂問(wèn)題，孫娟等[10]、李錦艷等[11]等通過(guò)模型試驗(yàn)研究了應(yīng)用于“635”水庫(kù)多彎段溢洪道糙條和導(dǎo)流墩聯(lián)合運(yùn)用的組合方式，研究成果已經(jīng)過(guò)“635”水庫(kù)溢洪道實(shí)際工程驗(yàn)證。

為深入研究導(dǎo)流墩與糙條消能工對(duì)彎段溢洪道水力特性的影響，參考“635”工程，試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型類似原型工程，依據(jù)重力相似準(zhǔn)則，長(zhǎng)度比尺為50，對(duì)布置不同形式消能工的60°彎段溢洪道進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ头譃榫匦未裁婺Ｐ秃蛯?dǎo)流墩、糙條模型，均由亞克力有機(jī)玻璃板制作而成。溢洪道模型斷面寬度B=500 mm，彎道段采用R/B=2.2的薄壁彎道(R為彎道中心線曲率半徑)，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L1=600 mm過(guò)渡直段，進(jìn)口段后接中心角為60°彎道段，彎道末端接長(zhǎng)度L2=1 400 mm出口直線段，使得水流能夠平順下泄，模型沿程底坡系數(shù)i=0.025。導(dǎo)流墩模型為長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)寬高分別為：200、13.2、64 mm；糙條為貫穿凹凸岸的“梯形”長(zhǎng)方體，寬為30 mm，高度從24 mm漸變?yōu)?2 mm。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。模型平面布置圖如圖1(模型平面布置及導(dǎo)流墩標(biāo)號(hào)位置圖)所示。

圖1 模型平面布置及導(dǎo)流墩標(biāo)號(hào)位置圖(單位：mm)

2.2 測(cè)量斷面

定義橫斷面為垂直來(lái)流方向，縱斷面為順?biāo)鞣较颉?/p>

橫斷面進(jìn)口段編號(hào)為0～5共6個(gè)斷面，斷面間隔距離為0.2L1；橫斷面彎道段編號(hào)為6～15共10個(gè)斷面，沿彎道段徑向方向每隔6°布置一個(gè)斷面；橫斷面出口段編號(hào)為16～25共10個(gè)斷面，斷面間隔距離為0.1L2，總共26個(gè)斷面。

縱斷面從彎道凸岸(右岸)至凹岸(左岸)分為0～10號(hào)共11個(gè)縱斷面，斷面間距為0.1B。沿水平面方向共布置了286個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)測(cè)量要素包括水深測(cè)量與流速測(cè)量。

水深量測(cè)采用精度為0.01 mm的測(cè)針進(jìn)行測(cè)量，3次讀數(shù)取其平均值；流速測(cè)量采用畢托管，量測(cè)點(diǎn)位置距底板床面1/3水深處，記此流速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(橫、縱斷面網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)布置圖)所示。

圖2 橫、縱斷面網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：mm)

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)依據(jù)導(dǎo)流墩、糙條在溢洪道內(nèi)的擺放位置不同，針對(duì)彎段溢洪道內(nèi)有無(wú)導(dǎo)流墩與糙條、單一導(dǎo)流墩布設(shè)位置不同、單一形式導(dǎo)流墩數(shù)量不同、導(dǎo)流與糙條聯(lián)合布置4種條件，設(shè)置了共5種試驗(yàn)方案。詳細(xì)試驗(yàn)方案說(shuō)明如表1所示。

經(jīng)放水試驗(yàn)觀測(cè)，原方案(無(wú)導(dǎo)流墩和糙條)在小流量下溢洪道內(nèi)水流變化較平緩，且加設(shè)導(dǎo)流墩未能淹沒(méi)溢洪道內(nèi)輔助消能工，導(dǎo)致水流在導(dǎo)流墩前后呈現(xiàn)明顯“分割”現(xiàn)象，本文控制恒定流量Q=23 L/s，導(dǎo)流墩與軸向半徑夾角為60°，糙條與軸向半徑夾角為22°。此時(shí)，上述5種試驗(yàn)工況下的水位均在導(dǎo)流墩與糙條以上(即淹沒(méi)導(dǎo)流墩與糙條)。

表1 試驗(yàn)方案說(shuō)明

注：彎道段內(nèi)導(dǎo)流墩布設(shè)起始標(biāo)號(hào)位置為6°，沿軸向水流方向每10°布置一根導(dǎo)流墩，用標(biāo)號(hào)a、b、c、d、e、f分別代表導(dǎo)流墩的布設(shè)斷面位置；導(dǎo)流墩與左岸間距是指其上游迎水面與邊墻的距離，導(dǎo)流墩標(biāo)號(hào)位置圖見(jiàn)圖1。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 典型斷面水面結(jié)構(gòu)改善效果分析

由于彎道橫向環(huán)流作用，彎道表層水流由凸岸流向凹岸，底層水流則由凹岸指向凸岸?？紤]到溢洪道彎曲的邊墻對(duì)水流的擾動(dòng)而產(chǎn)生的沖擊波，沖擊波會(huì)在水體表面形成水波，使得水面變化極其復(fù)雜。為了反映加設(shè)單一導(dǎo)流墩布置形式和導(dǎo)流墩與糙條聯(lián)合布設(shè)形式對(duì)彎道水流的改善效果，本文引入橫向水面差降低率α和斷面水流均勻度β兩個(gè)計(jì)算公式[13]來(lái)分析水面結(jié)構(gòu)的改善效果。

(1)

式中：α為同一斷面凹凸岸橫向水面差降低率，%；ΔH0為無(wú)導(dǎo)流墩和糙條情況下凹凸岸水面差，cm；ΔH1為加設(shè)導(dǎo)流墩和糙條情況下凹凸岸水面差，cm。

(2)

式中：β為橫斷面水流均勻度；Hi為斷面某一測(cè)點(diǎn)水深，cm；H0為某一橫斷面平均水深，cm；n為水深測(cè)量點(diǎn)數(shù)。

可以看出，水面差降低率α值越大，橫斷面水流均勻度β值越小，導(dǎo)流墩和糙條對(duì)水流改善效果越好；選取彎道段6#橫斷面、10#橫斷面(近似作為彎頂橫斷面)、14#橫斷面及20#橫斷面為研究對(duì)象，對(duì)比原方案與5組試驗(yàn)方案，分別計(jì)算斷面的α與β值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2(典型斷面凹凸岸橫向水面差降低率)、表3(典型橫斷面水流均勻度)所示。

表2 典型斷面凹凸岸橫向水面差降低率α %

由表2典型斷面凹凸岸橫向水面差降低率可以看出：當(dāng)水流剛進(jìn)彎段進(jìn)口處(橫斷面6#)時(shí)，5組試驗(yàn)方案的α值均出現(xiàn)較大偏差。其原因是：原方案中水流剛由前面直線型進(jìn)口段流經(jīng)彎道進(jìn)口，水流受凹凸岸水面差引起的側(cè)壓力與彎道形成的離心力作用，而側(cè)壓力的方向與離心力方向相反，且二者的合力方向即為水流的方向。此時(shí)凹凸岸水面差值較小，繼而側(cè)壓力較小，水流主要受彎道離心力作用，水流進(jìn)入彎道進(jìn)口時(shí)(6#橫斷面)，主流位置仍然處于彎道半徑中軸線位置，故橫向水面相對(duì)較平緩。無(wú)論在彎道內(nèi)加設(shè)單一形式的導(dǎo)流墩或?qū)Я鞫蘸筒跅l聯(lián)合形式，在彎道進(jìn)口凹岸附近位置，水深均被抬高，此時(shí)凹凸岸水面差比原方案大，所以經(jīng)計(jì)算所得α值為負(fù)值。水流流經(jīng)彎頂斷面至彎道出口斷面后，從橫斷面10#、橫斷面14#可以看出，5種試驗(yàn)方案均能較好地改善溢洪道內(nèi)水流結(jié)構(gòu)形態(tài)。當(dāng)水流出彎段后，由于邊墻對(duì)水流的擾動(dòng)影響，使得下游調(diào)整段內(nèi)出現(xiàn)沖擊波，繼而在水體表面形成水波。觀測(cè)到橫斷面20#橫向凹凸岸水面差為負(fù)值，即此時(shí)水深凹岸低、凸岸高。而在5種試驗(yàn)方案下橫向凹凸岸水面差α均為正值，其計(jì)算值均大于100%。綜合各典型橫斷面的水面差的降低率，方案5優(yōu)于方案1～4。

分析表3典型橫斷面水流均勻度，各試驗(yàn)方案與原方案相比，除橫斷面6#的β值大于原方案，其余各斷面β值均小于原方案。說(shuō)明在彎道進(jìn)口段的水面結(jié)構(gòu)改善效果較差，而在其余橫斷面的水流調(diào)整效果較好。計(jì)算方案5與原方案水流均勻度改善百分比可看出：在溢洪道彎道段內(nèi)可以達(dá)到89%以上水面結(jié)構(gòu)改善效果，方案5優(yōu)于其它試驗(yàn)方案。

表3 典型橫斷面水流均勻度β

綜上所述，方案5比其他試驗(yàn)方案效果更好。即在本文試驗(yàn)因素條件下，導(dǎo)流墩布設(shè)位置和個(gè)數(shù)均可以一定程度地改善溢洪道內(nèi)水面結(jié)構(gòu)形態(tài)；單一形式導(dǎo)流墩布設(shè)于溢洪道凹岸處，其對(duì)彎道內(nèi)水面結(jié)構(gòu)改善效果不如導(dǎo)流墩和糙條聯(lián)合布置形式?？蔀閷?shí)際工程設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

3.2 彎道段橫斷面最大水面差和最大水深位置比較

3.2.1 試驗(yàn)方案橫斷面凹凸岸最大水面差 根據(jù)實(shí)測(cè)有無(wú)導(dǎo)流墩和糙條條件下，溢洪道彎道段各橫斷面凹凸岸最大水面差，經(jīng)計(jì)算，取原方案和5種試驗(yàn)方案各個(gè)橫斷面凹凸岸最大水面差的最大值，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可以看到，各試驗(yàn)方案橫斷面凹凸岸最大水面差較原方案有明顯降低。即說(shuō)明單一導(dǎo)流墩布設(shè)和導(dǎo)流墩、糙條聯(lián)合布設(shè)形式均能一定程度地降低橫斷面凹凸岸的最大水面差。對(duì)比分析各試驗(yàn)方案，方案1～4對(duì)橫斷面凹凸岸最大水面差降低效果不如方案5。對(duì)比原方案，方案5橫斷面凹凸岸最大水面差由8.8 cm降至3.6 cm，降低率達(dá)到59%。

圖3 各方案彎道橫斷面凹凸岸最大水面差

3.2.2 最大水面差及最大水深發(fā)生的位置 繪制不同試驗(yàn)方案溢洪道彎道段凹凸岸水深沿程變化曲線圖，如圖4所示：原試驗(yàn)方案溢洪道彎道段凹凸岸水深變化符合彎道水流基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即凹岸水深大、凸岸水深淺。隨著水流在彎道中運(yùn)動(dòng)，凹凸岸水面差逐漸增大，在橫斷面14#位置達(dá)到最大值，此時(shí)凸岸水深幾乎為零。最大水深位置發(fā)生在橫斷面9#，即2/5彎道橫斷面。方案1～4為單一導(dǎo)流墩形式，觀察此4種方案對(duì)凹凸岸水深影響，其最大水面差位置依次為橫斷面14#、橫斷面13#、橫斷面13#和橫斷面9#。最大水深發(fā)生位置依次為橫斷面8#、橫斷面13#、橫斷面7#和橫斷面13#。同理，由方案5導(dǎo)流墩糙條聯(lián)合布置形式對(duì)最大水面差及最大水深發(fā)生位置影響，依次發(fā)生在橫斷面7#和橫斷面12#位置。5組不同方案對(duì)比原試驗(yàn)方案可知，彎道橫斷面凹凸岸最大水面差及最大水深發(fā)生的位置都有所不同。說(shuō)明在導(dǎo)流墩及糙條作用下，彎道段水流受到“前導(dǎo)”、“后消”作用，逼迫底層水流向彎道凸岸運(yùn)動(dòng)，表層水流指向凹岸，從而改變了原泄槽內(nèi)水流的運(yùn)動(dòng)軌跡。記錄最大水面差和最大水深發(fā)生位置的頻率，1/5～2/5彎道橫斷面和4/5彎道橫斷面相鄰上下游位置可作為此類彎道水流流態(tài)問(wèn)題較關(guān)鍵的研究斷面。

圖4 不同試驗(yàn)方案彎道段橫斷面凹凸岸沿程水深變化

3.3 沿程水流動(dòng)力軸線

水流動(dòng)力軸線為各橫斷面最大縱向水深平均流速所在點(diǎn)連線的水平投影，又稱為主流線[14-15]。根據(jù)測(cè)量結(jié)果得到不同試驗(yàn)方案的水流動(dòng)力軸線，如圖5所示。

圖5 各方案水流動(dòng)力軸線沿程變化圖

從圖5各方案動(dòng)力軸線的位置變化可以明顯看出：由于水流進(jìn)入彎道后受到離心力的作用，其動(dòng)力軸線在整個(gè)彎道段均呈現(xiàn)向凸岸偏移的趨勢(shì)。然而不同試驗(yàn)方案對(duì)應(yīng)的水流動(dòng)力軸線向凸岸偏移的位置不同。方案1～4彎道段的水流動(dòng)力軸線位置較原方案變化不大，而方案5的動(dòng)力軸線有向彎道中軸線偏移的趨勢(shì)，表現(xiàn)在上游進(jìn)口段的動(dòng)力軸線變化幅度較平緩，但在下游調(diào)整段內(nèi)，5組方案水流動(dòng)力軸線與原方案相比，原方案動(dòng)力軸線主要位于距凹岸0.2B附近位置，各方案動(dòng)力軸線則主要集中在距離凸岸0.2B～0.6B范圍內(nèi)。說(shuō)明加設(shè)導(dǎo)流墩或?qū)Я鞫蘸筒跅l聯(lián)合布置形式均能較好地調(diào)整水流從彎道段流出以后的主流位置，使得水流向彎道中軸線位置偏移。不同試驗(yàn)工況下，觀察整個(gè)模型中水流動(dòng)力軸線位置變化，方案5優(yōu)于其他方案。即糙條聯(lián)合導(dǎo)流墩輔助消能工布設(shè)形式對(duì)整體水流動(dòng)力軸線有更好的調(diào)整效果。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)R/B=2.2的60°彎段溢洪道進(jìn)行模型試驗(yàn)，得出如下主要結(jié)論：

(1)通過(guò)布置單一導(dǎo)流墩與糙條聯(lián)合導(dǎo)流墩輔助消能工對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合輔助消能工能夠更好地制約彎道環(huán)流的產(chǎn)生、改善水面流態(tài)、降低水面橫比降，并能夠有效地避免下游調(diào)整段沖擊波的形成。

(2)通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)方案橫斷面凹凸岸最大水深及最大水面差發(fā)生頻率分析，得到加設(shè)輔助消能工后溢洪道1/5～2/5彎道橫斷面和4/5彎道橫斷面相鄰上下游位置發(fā)生頻率較大，且在糙條聯(lián)合導(dǎo)流墩輔助消能工試驗(yàn)方案下橫斷面最大水面差降低率到了59%。因此，大流量情況下寬淺溢洪道1/5～2/5彎道橫斷面和4/5彎道橫斷面相鄰上下游位置可作為此類彎道較關(guān)鍵的斷面研究位置。

(3)對(duì)比原方案，5組試驗(yàn)工況下的沿程水流動(dòng)力軸線由原方案下距離凹岸0.2B附近位置向距離凸岸0.2B～0.6B范圍內(nèi)偏移，且糙條聯(lián)合導(dǎo)流墩輔助消能工能夠更好地調(diào)整水流趨于彎道中軸線位置；相比同類輔助消能工，糙條聯(lián)合導(dǎo)流墩輔助消能工布置在彎道內(nèi)更加節(jié)約工程造價(jià)，且施工較方便，可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。