吳福珍 勵澤 祝銀玥

摘 要：針對普通挑流消能效果不突出、造成下游嚴重沖刷等問題，本文在普通溢流壩結(jié)構(gòu)及消能機理基礎(chǔ)上提出了一種新型消能結(jié)構(gòu)，通過分道挑流形式大大提高了消能效率，減少了下游沖刷。并通過室內(nèi)水力試驗，試驗結(jié)果表明，該消能結(jié)構(gòu)消能效果顯著。

關(guān)鍵詞：挑流消能;消能結(jié)構(gòu);消能率;水力試驗

0 引言

水壩是攔截江河水流以抬高水位或調(diào)節(jié)流量的擋水建筑物，具有調(diào)節(jié)徑流、防洪、供水、發(fā)電、等功能。但水壩泄洪常常是水利工程設計者棘手的問題，地質(zhì)條件差，挑流消能造成的嚴重沖刷，會使河岸崩塌，甚至威脅主體工程安全。大型水庫泄洪消能更是十分艱巨的任務，普通的消能方式（挑流、底流、戽流）均無法收到良好的消能效果。因此，水壩泄洪消能長期以來一直是水利科技人員非常重視的問題[1-2]。

本文在普通挑流消能溢流壩壩面結(jié)構(gòu)及消能機理基礎(chǔ)上提出了一種新型消能結(jié)構(gòu)，通過物理模型水力試驗，驗證了該新型消能結(jié)構(gòu)消能的高效性，結(jié)果可為水壩泄洪消能提供參考。

1 裝置構(gòu)造及工作原理

1.1 裝置構(gòu)造

新型消能結(jié)構(gòu)，由溢流壩體、溢流壩面、挑流弧底、低層挑流道、高層挑流道、高層挑流導流道、高層挑流道分水尖組成，分水尖把高層挑流道左右分為兩個高層挑流導流道。溢流壩面到達挑流弧底時分道挑流，低層挑流道曲率半徑大于常規(guī)挑流弧面，高層挑流道曲率半徑小于常規(guī)挑流弧面，如圖1所示。

1.2 工作原理

新型消能結(jié)構(gòu)工作時，水流從溢流壩頂流出，通過溢流壩面下泄到挑流弧底，經(jīng)過低層挑流道和高層挑流道分成高低兩股水流及夾帶的氣體，高層挑流導流道把泄流鉛直向挑起的同時將泄流水平向?qū)虻蛯犹袅鞯婪较?，通過挑流鼻坎后的射流恰好拋到低層挑流道的射流上方，由于高層挑流導流道的射流高因而近，低層挑流道的射流低因而遠，高層挑流導流道的射流從高處落下恰恰砸到低層挑流道的射流，兩股水流及夾帶的氣體強烈碰撞、摻合，起到高效消除能量作用。為提高消能效果，可以將高低挑流道設置成不同尺寸。

2 新型溢流壩消能效果水槽試驗

2.1試驗場地及試驗模型

試驗在浙江水利水電學院水流動力學試驗室進行，試驗儀器為浙江大學毛根海教授團隊自主研制的自循環(huán)供水箱、潛水泵的新型自循環(huán)明渠實驗槽（型號：MGU-FF3-2-3），水槽長度l=35cm，寬度b=10.0cm，最大進口流量Q=20m?/h，模型放置于試驗水槽中進行防浪結(jié)構(gòu)沖刷試驗。利用高速相接抓拍試驗中的水流消能形態(tài)（佳能750D，EF-S 18-135 1：3.5-5.6 STM）。

試驗模型以某溢流壩為原型高10.8m，模型高10.8cm，模型幾何比尺1：100，按正態(tài)、重力相似準則設計，并考慮阻力相似，模型全部采用光敏樹脂材料進行3D打印制作而成（表面處理十分光滑），且模型上設置3條高層挑流道數(shù)、4條低層挑流道、3個分水尖以及6條高層挑流導流道，同時制作一個普通的溢流壩結(jié)構(gòu)作為對比試驗，如圖3所示，圖中左側(cè)為普通溢流壩模型，右側(cè)為新型消能結(jié)構(gòu)模型。

2.2 消能率計算

2.3 試驗一：消能效果對比觀測試驗

采用新型消能結(jié)構(gòu)模型與普通溢流壩模型，進行消能效果對比觀測水槽試驗。利用水槽下的閥門控制上游水位高度，分別觀測上位水位處于高、中、低狀態(tài)水流下泄時新型溢流壩結(jié)構(gòu)與普通溢流壩結(jié)構(gòu)在橫截面的挑流形態(tài)的區(qū)別，印證新型消能結(jié)構(gòu)的消能能力[6]。

（1）低水位下消能效果

試驗時調(diào)節(jié)閥門控制上游水位為11.5cm，待水位穩(wěn)定后觀察，利用高速攝像機連續(xù)拍攝挑坎挑起水流時的形態(tài)，試驗結(jié)果如圖3所示，從對比圖中可見，兩股水流碰撞、摻合程度較小。

（2）中水位下消能效果

試驗時調(diào)節(jié)閥門控制上游水位為12.1cm，待水位穩(wěn)定后觀察，利用高速攝像機連續(xù)拍攝挑坎挑起水流時的形態(tài)，試驗結(jié)果如圖4所示，從對比圖中可見，兩股水流碰撞、摻合程度明顯變大，消能效果較明顯。

（3）高水位下消能效果

試驗時調(diào)節(jié)閥門控制上游水位為12.7cm，待水位穩(wěn)定后觀察，利用高速攝像機連續(xù)拍攝挑坎挑起水流時的形態(tài)，試驗結(jié)果圖5所示。從對比圖中可見，兩股水流碰撞、摻合程度明顯，消能效果顯著。

新型消能結(jié)構(gòu)使下泄水流實現(xiàn)分道挑流，高層挑流導流道的射流從高處落下恰恰砸到低層挑流道的射流，兩股水流及夾帶的氣體強烈碰撞、摻合，水流被明顯的消能，印證了前文所述，并且較普通溢流壩試驗效果而言，消能效率有著實質(zhì)性提升。

3 結(jié)論

通過物理模型水力試驗，發(fā)現(xiàn)該新型消能結(jié)構(gòu)具有高效消能的特點，與普通溢流壩結(jié)構(gòu)相比，新型消能結(jié)構(gòu)在上游水流泄下時，利用分道挑流，促使高低挑流道兩股射流相互碰撞，消減大量下泄能量的消能原理，能夠達到很好的消能防沖刷效果。

參考文獻

[1]肖興斌.中小型水利工程消能工的新發(fā)展[J].長江水利教育，1995，12（3）：58-63

[2]呂會嬌.玉灘水庫工程溢洪道水工模型試驗研究[J].水利水電工程計，2013，32（1）：43-47

[3]羅佳敏，秦鵬.一種新型護坡結(jié)構(gòu)的防浪消能效果水力試驗[J].浙江水利水電學院學報，2018，30（5）：24-27.

[4]浙江水利水電學院.一種高效泄洪溢流壩壩面結(jié)構(gòu)[P].浙江：ZL 2016 1 0641863.6

[5]吳持恭.水力學 [M].高等教育出版社，2011.

[6]徐兆凱，謝鋒，李東風.攔沙把對上游橋梁沖刷防護的效果測試及分析[J].浙江水利水電學院學報，2017，29（1）：18-23.

基金項目：浙江省水利廳科研基金（RC1923）