周鑫宇,邱 勇,阮合春,李 鑫,余遠(yuǎn)浩

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

為了降低高水頭泄水建筑物出口單寬流量，減輕下游消能的壓力，常在其出口處設(shè)置擴(kuò)散式泄槽。已有文獻(xiàn)對(duì)消力池進(jìn)口接矩形明槽，尾水渠寬度隨消力池突擴(kuò)寬度同步變化的跌擴(kuò)型底流消能工進(jìn)行了大量研究：文獻(xiàn)[1]通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)比分析了突擴(kuò)式與無突擴(kuò)式跌坎消力池底板臨底流速、時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)的分布特點(diǎn)，并得出了突擴(kuò)式跌坎消力池最大臨底流速及時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)隨各影響因素的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[2]采用水力學(xué)模型試驗(yàn)，分析了跌擴(kuò)型底流消能工的水流流態(tài)與水流結(jié)構(gòu)，以及消能機(jī)理；文獻(xiàn)[3]采用數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)的方法，分別分析了跌坎型、突擴(kuò)型和跌坎突擴(kuò)型消力池內(nèi)的水力學(xué)指標(biāo)；文獻(xiàn)[4]采用水力學(xué)模型試驗(yàn)，認(rèn)為選擇合適的突擴(kuò)比能有效降低消力池內(nèi)底板和邊墻的水力學(xué)指標(biāo)。

針對(duì)泄水建筑物擴(kuò)散式泄槽底流消能工(固定尾水渠寬度不變)，池長一定的情況下，對(duì)比分析不同跌坎深度和邊墻不同突擴(kuò)寬度組合時(shí)跌擴(kuò)型底流消能工的水力特性及水流流態(tài)變化，具有很好的實(shí)踐價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案選擇與測點(diǎn)布置

試驗(yàn)針對(duì)跌擴(kuò)型消力池，其進(jìn)口接擴(kuò)散角為3°的擴(kuò)散式泄槽(i=1.0∶1.5)，體型見圖1，尾水渠(i=0)長0.75 m，寬度為0.20 m。

a)平面

b)縱斷面

試驗(yàn)方案分別考慮跌坎深度T=0.05、0.10、0.15 m，突擴(kuò)寬度B=0.30、0.35、0.40 m共9種組合見表1，選擇Q=9、12、15 L/s 3組流量進(jìn)行試驗(yàn)研究。

文獻(xiàn)[5]已經(jīng)給出，跌坎深度T=0.10 m，突擴(kuò)寬度由0.30 m增加至0.35 m時(shí)，底板臨底流速明顯降低，但底板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)有所增加；突擴(kuò)寬度進(jìn)一步增加至0.40 m時(shí)，臨底流速衰減幅度繼續(xù)降低，底板時(shí)均壓強(qiáng)也有增加，但變幅較小。增減跌坎深度并保持不變，將突擴(kuò)寬度由B=0.30 m增加至0.35、0.40 m，消力池底板臨底流速和時(shí)均壓強(qiáng)均服從同一規(guī)律。

根據(jù)試驗(yàn)研究，保持突擴(kuò)寬度B不變，跌坎深度由0.05 m增加至T=0.10 m時(shí)，消力池內(nèi)底板臨底流速呈下降趨勢、時(shí)均壓強(qiáng)逐漸升高(脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值下降)；跌坎深度繼續(xù)增加至T=0.15 m時(shí)，底板臨底流速繼續(xù)下降、時(shí)均壓強(qiáng)進(jìn)一步升高(脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值繼續(xù)降低)，但變幅均不大。

同時(shí)改變跌坎深度T和消力池邊墻突擴(kuò)寬度B，得到方案A11、A22和A33。通過試驗(yàn)研究，對(duì)比分析其消力池底板水力特性及水流流態(tài)的變化情況。在消力池底板軸線位置沿程等間距(233 mm)布設(shè)5個(gè)測點(diǎn)見圖2，以反映入射水流底板沿程水力特性變化規(guī)律。

圖2 消力池底板測點(diǎn)布置示意(mm)

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 消力池水流結(jié)構(gòu)分區(qū)

根據(jù)消力池水流流態(tài)，將其水流結(jié)構(gòu)劃分為：淹沒射流、底部旋渦、沖擊區(qū)、附壁射流、補(bǔ)償流區(qū)、表面漩滾見圖3。

淹沒射流：射流進(jìn)入消力池后，在池內(nèi)水體的頂托下形成擴(kuò)散狀淹沒射流。

底部旋渦：在淹沒射流的吸卷作用下，淹沒射流下部形成底部旋渦。

沖擊區(qū)：射流沖擊到底板的區(qū)域。入射水流進(jìn)入消力池，受底板約束，流線發(fā)生急劇偏轉(zhuǎn)，水流轉(zhuǎn)向，主流沿底板潛射前行；此外，在主流左、右兩側(cè)及底板上游方向可見強(qiáng)度稍弱的潛射水流。

附壁射流：潛射水流在消力池底板形成流速沿程減小的附壁射流。附壁射流和回淹水流不斷摻混，在靠近邊墻位置形成尺度沿程逐漸增大的上涌水突；同時(shí)，在尾水進(jìn)口底部主流下方可觀察到明顯的橢圓狀橫軸漩滾。

補(bǔ)償流區(qū)：向上游方向的附壁射流，從消力池進(jìn)口兩側(cè)的角隅處涌出，卷入主流。

表面漩滾：回淹水流與兩側(cè)邊墻附近不斷向消力池軸線附近翻卷的水突共同作用，受淹沒射流影響，形成向消力池進(jìn)口方向涌動(dòng)的表面漩滾。

a)水流結(jié)構(gòu)立面

b)水流結(jié)構(gòu)平面

2.2 消力池水力特性

2.2.1消力池底板臨底流速

臨底流速是消力池設(shè)計(jì)中的主控指標(biāo)[6]，通常應(yīng)盡可能減小臨底流速以降低其對(duì)消力池底板的不利影響，從而提高消力池的結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)試驗(yàn)測試，得到消力池沿軸線各測點(diǎn)的臨底流速見圖4。

由圖4可以看出，在相同流量情況下(Q=12 L/s)，對(duì)于方案A11，由于跌坎深度較小，水股入射沖擊落點(diǎn)位于0-2測點(diǎn)上游13 cm處，可觀察到?jīng)_擊區(qū)下緣底板處出現(xiàn)小幅彈射后的水流急速潛行，致使測點(diǎn)0-3流速有所增大(1.65～1.81 m/s)，消力池底板臨底流速沿程分布近呈“駝峰”狀。

a)Q=9 L/s

b)Q=12 L/s

c)Q=15 L/s

增大跌坎深度和突擴(kuò)寬度(方案A22)，臨底流速沿程變化規(guī)律由“駝峰”狀變成“尖峰”狀：射流水股落點(diǎn)下移至距離測點(diǎn)0-2上游側(cè)6 cm處，0-2測點(diǎn)位于沖擊區(qū)下緣，臨底流速達(dá)到2.20 m/s，相較于方案A11增加了33.3%；池深和池寬的增加，消力池內(nèi)水體之間的相互碰撞、摩擦、混摻和剪切作用加大，表面漩滾明顯，底部附壁射流流線急劇向上偏轉(zhuǎn)，底板沿程臨底流速下降明顯：測點(diǎn)0-3流速下降為1.48 m/s，相比方案A11降幅為18.2%，測點(diǎn)0-4流速進(jìn)一步衰減為0.49 m/s，相較于方案A11降幅達(dá)65.9%。

進(jìn)一步增大跌坎深度和邊墻突擴(kuò)寬度(方案A33)，射流水體入池后，沖擊區(qū)前移動(dòng)至0-2測點(diǎn)稍下游側(cè)，盡管臨底流速變化規(guī)律仍然呈“尖峰”狀，但測點(diǎn)0-2流速相較于方案A22下降至1.88 m/s，降幅僅為14.5%，沖擊區(qū)下游臨底流速較方案A22降幅并不明顯，最大降幅只有10.2%。

2.2.2消力池底板時(shí)均壓強(qiáng)

通過試驗(yàn)得到Q=9、12、15 L/s 3組流量工況下消力池軸線處時(shí)均壓強(qiáng)。由于試驗(yàn)方案跌坎深度不同，考慮到消力池內(nèi)所形成的水深對(duì)底板高程時(shí)均壓強(qiáng)的影響，為便于比較，將方案A22和A33時(shí)均壓強(qiáng)進(jìn)行相應(yīng)的平差處理，得到各方案不同測點(diǎn)的時(shí)均壓強(qiáng)，見圖5。

a)Q=9 L/s

由圖5可以看出，不管是哪一組試驗(yàn)方案，隨流量增加，消力池內(nèi)底板時(shí)均壓強(qiáng)分布規(guī)律基本相同：測點(diǎn)0-2附近時(shí)均壓強(qiáng)變化最大，其余測點(diǎn)的時(shí)均壓強(qiáng)逐步回升。其原因在于測點(diǎn)2位于射流沖擊區(qū)附近，方案A33的數(shù)值包括了部分射流流速水頭。

結(jié)合流態(tài)進(jìn)行分析(Q=12 L/s)：方案A11中，射流水體進(jìn)入消力池后，消力池內(nèi)為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，射流水股落點(diǎn)位于測點(diǎn)0-2上游13 cm處，沖擊區(qū)附近的測點(diǎn)0-1時(shí)均壓強(qiáng)稍大，測點(diǎn)0-2受附壁射流影響，時(shí)均壓強(qiáng)反而下降；更由于消力池內(nèi)水面呈整體爬升狀(水深沿程增加，臨底流速降低)，故而底板沿程時(shí)均壓強(qiáng)出現(xiàn)明顯上升。

增大跌坎深度和消力池邊墻寬度(方案A22)，消力池內(nèi)能夠形成有效淹沒，射流水體進(jìn)入消力池后，沖擊區(qū)向前移動(dòng)7 cm，位于沖擊區(qū)下緣的測點(diǎn)0-2疊加了部分射流流速水頭，時(shí)均壓強(qiáng)有所增加；此外，突擴(kuò)寬度的增加，消力池進(jìn)口入射水流下部的底部旋渦處反向水流從消力池進(jìn)口兩側(cè)的角隅處涌出，形成明顯的補(bǔ)償流區(qū)，加之邊墻處附壁射流和淹沒回流之間的混摻、摩擦和剪切，以及消力池出口角隅處的上涌水突作用，下泄水流主流流速衰減，底板時(shí)均壓強(qiáng)上升。

進(jìn)一步增大跌坎深度和消力池邊墻寬度(方案A33)，消力池內(nèi)淹沒程度增加，射流水股進(jìn)入消力池后，沖擊區(qū)靠近測點(diǎn)0-2，該點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)達(dá)到最大(2.081 kPa)；池內(nèi)水體的紊動(dòng)有所減弱，出池水流流態(tài)持續(xù)改善，但沿程測點(diǎn)的時(shí)均壓強(qiáng)未見明顯變化。

2.2.3消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值

脈動(dòng)壓強(qiáng)表征消力池底板動(dòng)水壓強(qiáng)變化的劇烈程度，具有瞬時(shí)離散性質(zhì)，其變化過大更易造成消力池底板發(fā)生失穩(wěn)、斷裂破壞。選擇統(tǒng)計(jì)分析中的方差作為脈動(dòng)壓強(qiáng)主要幅值特征能夠很好地表達(dá)脈動(dòng)壓強(qiáng)波動(dòng)的劇烈程度[7]。通過試驗(yàn)得到消力池軸線各測點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值見圖6。

由圖6可以看出，不同流量情況下，方案A11在測點(diǎn)0-3脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值最大，其原因在于測點(diǎn)基本位于射流沖擊區(qū)下緣底板處出現(xiàn)的小幅彈射落點(diǎn)附近，加劇了該測點(diǎn)的水流脈動(dòng)；方案A22和A33脈動(dòng)壓強(qiáng)方差最大值均出現(xiàn)在測點(diǎn)0-2附近，則是因?yàn)槿肷渌鳑_擊區(qū)已經(jīng)很靠近測點(diǎn)0-2附近，水股落點(diǎn)周圍水體自身脈動(dòng)所致。

盡管方案A11中的底板動(dòng)水壓強(qiáng)脈動(dòng)方差值整體變幅較小，但其時(shí)均壓強(qiáng)由于消力池內(nèi)入射水流沿底板呈急速潛行，數(shù)值較低，消力池內(nèi)并未形成有效淹沒，出池水流紊動(dòng)強(qiáng)烈。

a)Q=9 L/s

b)Q=12 L/s

c)Q=15 L/s

對(duì)于方案A22，除了測點(diǎn)0-2脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值較大，其余測點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)方差明顯降低，其原因在于跌坎深度和邊墻突擴(kuò)寬度的增加，消力池內(nèi)能夠形成淹沒射流，在入池水股與回淹水體之間的摩擦、剪切、碰撞作用下，消力池邊墻及臨底附壁射流流速減小，動(dòng)水壓強(qiáng)沿程趨于穩(wěn)定，出池水流紊動(dòng)減輕。進(jìn)一步增大跌坎深度和邊墻突擴(kuò)寬度(方案A33)，消力池底板沿程各測點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值相較于方案A22均有所降低，但下降幅度并不明顯。

2.3 消力池上下游水流流態(tài)

2.3.1泄槽擴(kuò)散段水流流態(tài)

對(duì)于高水頭泄水建筑物，泄槽出口段水流流速大，擴(kuò)散段水流在慣性作用下，水股主流相對(duì)集中在軸線位置，橫斷面水深近呈“凸”形：起始斷面(溢0+09.435 m)和末端斷面(溢0+09.935 m)處水深分布較為均勻，但在A-A斷面(溢0+09.685 m)處，左、中、右水深差值明顯見表2。此外，受泄槽固體邊界影響，擴(kuò)散段水流橫斷面流速分布也呈中間高、兩側(cè)低的趨勢。

表2 擴(kuò)散段橫斷面(溢0+09.685 m)水深分布

擴(kuò)散段水流流態(tài)及橫斷面水深分布表明：試驗(yàn)所采用的擴(kuò)散角(3°)能夠兼顧擴(kuò)散式泄槽的水流流態(tài)和有效降低泄槽出口的單寬流量，起到改善下游消力池水力特性的作用。

2.3.2消力池出口段水流流態(tài)

由于跌坎和突擴(kuò)邊墻的存在，消能水體體積增加，使得池內(nèi)水體強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)長度減小，消力池尾部水體紊動(dòng)減弱，出池水流趨向平順見圖7。

a) 方案A11

b) 方案A22

c) 方案A33

流量Q=12 L/s情況下，方案A11中，入射水流進(jìn)入消力池后，消力池內(nèi)能夠觀察到較為明顯的遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，主流沿底板急速潛行，水面呈爬升狀，進(jìn)出口水面高差值達(dá)19.0 cm；靠近邊墻位置的水體亦呈急速前行狀，致使靠近消力池出口兩側(cè)角隅處形成較大上涌水突(瞬時(shí)最大高差約為7.0 cm)，平面上可見向軸線方向的翻卷，消力池范圍之內(nèi)的水體水氣混摻相當(dāng)明顯，出口附近水流紊動(dòng)劇烈且水面跌落明顯，最大跌落達(dá)12.7 cm。

方案A22中，由于跌坎深度增加，消力池內(nèi)形成淹沒式水躍，入射水流進(jìn)入消力池后，可見主流向水面上涌翻卷，爬升現(xiàn)象減弱，進(jìn)出口水深差值降為6.3 cm；突擴(kuò)寬度的增加，臨近邊墻位置范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的反向水流，并隨著上涌的主流翻騰涌動(dòng)；出口兩側(cè)角隅處上涌水突最大只高于中軸線水面4.6 cm，出池水體呈斜向?qū)_，水流有一定的跌落，最大跌落6.0 cm。

跌坎深度和邊墻突擴(kuò)寬度進(jìn)一步加大(A33)，消力池內(nèi)淹沒程度增加，回淹水流表面紊動(dòng)減弱，進(jìn)出口水深差值5.6 cm；近邊反向水流隨主流波動(dòng)減弱，出口角隅處上涌水突瞬時(shí)最大高差僅為4.0 cm，向心出流呈改善趨勢，水面跌落降高度5.3 cm。

2.3.3尾水渠段水流流態(tài)

出池水體在尾水渠內(nèi)的流態(tài)對(duì)下游河道及岸坡的安全有直接或間接的影響。根據(jù)試驗(yàn)觀察，測試得到尾水渠進(jìn)口下游5 cm處(溢0+10.935 m)及里程溢0+11.260 m橫斷面水深分布見表3。從表3可以看出，3組方案在尾水渠進(jìn)口下游5 cm處橫斷面水深分布則均呈“中間高，兩側(cè)低”的凸形，但A33方案橫斷面水深相對(duì)均勻。

表3 尾水渠橫斷面水深分布(Q=12 L/s)

在方案A11中，消力池內(nèi)水流急速前行，臨底附壁射流以較大流速到達(dá)尾坎后斜向上出挑，尾水渠進(jìn)口近底板處出現(xiàn)尺度較大的橢圓狀橫軸漩滾(長半軸長12.0 cm，短半軸長6.0 cm)；出池水流呈斜向?qū)_，距離尾水渠進(jìn)口下游5 cm處(溢0+10.935 m)水流出現(xiàn)脫離邊壁現(xiàn)象，其橫斷面水深為“凸”形(左側(cè)5.5 cm，軸線13.5 cm，右側(cè)5.7 cm)，水面呈菱形波動(dòng)向下游折沖前行。

對(duì)于方案A22，出池水流斜向?qū)_現(xiàn)象弱化，護(hù)坦進(jìn)口近底板處的橢圓狀橫軸漩滾尺度大幅減小(長半軸長8.0 cm，短半軸長4.5 cm)，橫斷面水流流速趨于均勻；里程溢0+10.935 m處盡管仍有水體脫壁現(xiàn)象，但橫斷面水深差值明顯減小(左側(cè)7.5 cm，軸線13.0 cm，右側(cè)7.4 cm)，尾水渠水流波動(dòng)減輕，流態(tài)相對(duì)平順。

隨著跌坎深度和突擴(kuò)寬度的進(jìn)一步加大(方案A33)，護(hù)坦進(jìn)口近底板處的橢圓橫軸漩滾尺度基本不變(長半軸長7.5 cm，短半軸長4.0 cm)；里程溢0+10.935 m斷面橫斷面水深趨于均勻化，尾水渠水流更為平順。

綜上所述，跌坎深度5 cm、邊墻突擴(kuò)寬度30 cm時(shí)(方案A11)，消力池及尾水渠水流流態(tài)紊亂；增加跌坎深度和邊墻突擴(kuò)寬度后(方案A22)，消力池及尾水渠水流流態(tài)改善明顯；繼續(xù)增大跌坎深度和邊墻突擴(kuò)寬度后(方案A33)，消力池及尾水渠水流流態(tài)改善程度不大。

3 結(jié)語

通過水工模型試驗(yàn)，研究擴(kuò)散式泄槽跌擴(kuò)型底流消能在不同的跌坎深度、邊墻突擴(kuò)寬度組合情況下，各水力特性(臨底流速、時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值)的變化及出口水流流態(tài)。結(jié)果表明：跌坎深度0.05 m、邊墻突擴(kuò)寬度0.30 m時(shí)，消力池內(nèi)臨底流速、動(dòng)水壓強(qiáng)等水力特性較差，出口水流流態(tài)不理想；當(dāng)增加跌坎深度由0.05 m增加到0.10 m，邊墻突擴(kuò)寬度由0.30 m增加到0.35 m時(shí)，消力池內(nèi)臨底流速降低，時(shí)均壓強(qiáng)逐漸回升，消力池內(nèi)水流流態(tài)及尾水水流流態(tài)明顯改善。當(dāng)進(jìn)一步增加跌坎深度(由0.10 m增加到0.15 m)和邊墻突擴(kuò)寬度(由0.35 m增加到0.40 m)時(shí)，消力池內(nèi)臨底流速、時(shí)均壓強(qiáng)和水流流態(tài)雖持續(xù)改善，但效果已不明顯。

模型試驗(yàn)針對(duì)擴(kuò)散式泄槽，基于一定的泄槽縱坡和擴(kuò)散角進(jìn)行。其研究成果經(jīng)不同比尺放大后可為類似的實(shí)際工程提供參考。