孫德旭 牧振偉 李凡琦 賈萍陽

摘 要：為了研究彎段溢洪道中水流運動規(guī)律，建立了徑寬比R/B為1.75的60°彎段溢洪道試驗模型，通過改變導流墩聯(lián)合糙條輔助消能工的布置參數(shù)，對實測數(shù)據(jù)進行分析，結果表明：導流墩聯(lián)合糙條輔助消能工對水流有顯著導流效果，可使水面橫比降有效降低，使水面結構改善;長寬比L/B=0.187 5時水力條件優(yōu)于L/B=0.125 0的，其最大消能率可達60%，水流動力軸線在彎道段，由凸岸向溢洪道中軸線靠近且出現(xiàn)不同幅度波動的趨勢，在出口段，由凹岸一定程度向溢洪道中軸線遷移，大大縮短了縱向流速分布的調整距離。在彎道內合理地布置聯(lián)合消能工既節(jié)省工程投資，又符合溢洪道水力特性要求。

關鍵詞：彎段溢洪道;水面橫比降;導流墩;糙條;水流動力軸線

中圖分類號：TV651.1文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.022

引用格式：孫德旭Symbol`@@，牧振偉，李凡琦，等.彎段溢洪道導流墩聯(lián)合糙條模型試驗研究[J].人民黃河，2021，43（1）：115-119.

Study on Model Test of Diversion Pier Combined with Rough-Strip in the Bend Spillway

SUN Dexu， MU Zhenwei， LI Fanqi， JIA Pingyang

（College of Water Conservancy and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract：In order to study the characteristics of water flow movement in the spillway of curved section， this paper established a 60° bend spillway test model with a R/B of 1.75 and analyzed the measured data by changing the diversion pier combined with brown strip auxiliary energy dissipation of the layout parameters. The results show that the diversion pier combined with the Brown strip auxiliary energy dissipation works has significant diversion effect on water flow， can effectively reduce the horizontal gradient of water surface and effectively improve the water surface structure; when L/B=0.1875， the hydraulic condition is better than L/B=0.125， the maximum energy dissipation rate can reach to 60%， the flow of power axis in the bend section， from the convex shore to the spillway axis near and appear different amplitude fluctuation trend， in the outlet section， from the concave bank to a certain degree of the middle axis of the spillway migration， which greatly shortens the longitudinal velocity distribution of the adjustment distance. It can not only save the project cost， but also meet the hydraulic characteristics of the spillway and provide theoretical reference for the actual engineering design.

Key words： bend spillway; transverse slope of water surface; diversion pier; rough-strip; axis of flow

溢洪道作為水庫主要泄水建筑物之一，常受地形、地質、施工條件等的限制，不得不布置成彎道形式[1-3]。當水流進入彎道后，受離心力作用產生彎道環(huán)流，會使彎道內產生水面超高、橫向沖擊波等問題[4]。

現(xiàn)有的彎道多采用斜底坎[5]、丁壩[6]、懸柵[7]、導流柵[8]等輔助消能工在設定距離內調整、控制水流流態(tài)。Kikkawa[9]提出了彎道二維水流模型，對標準矩形斷面的單彎道進行了分析;魏祖濤等[10]通過模型試驗研究指出，實際工程可通過加糙來穩(wěn)定彎道及其下游水流流態(tài);王田田等[11]在溢洪道泄槽彎道段設置導流墻開展試驗研究表明，設置導流墻后彎道橫斷面凹凸岸水面差明顯下降，但水面差仍然存在;滕曉敏等[12]在彎段溢洪道內設置透水斜檻，研究了其對水流的改善效果;傅燦等[13]針對某水庫溢洪道，通過水工模型試驗研究了在陡槽彎道段底部垂直布置四道斜檻的效果，進而解決了實際工程問題;孫娟等[14]、李錦艷等[15-16]對水庫多彎段溢洪道內加設導流墩、糙條等輔助消能工進行了試驗研究;李凡琦等[17]將數(shù)值模擬與物理模型相結合，對多彎段溢洪道內加設糙條后的水面結構及渦流演化進行了分析闡述。上述方法都可以用來減小水面橫比降、降低水流沖擊波，但有的工程泄槽寬深比較小、施工難度較大、工程量較大等，需要結合實際問題進行綜合分析。本文借助物理模型試驗方法，通過在溢洪道內布置不同聯(lián)合形式的輔助消能工，分析溢洪道典型斷面水面橫比降變化趨勢、表面水流結構變化、典型斷面縱向流速分布規(guī)律與水流動力軸線，進而闡明寬淺彎段溢洪道導流墩聯(lián)合糙條對水流水力特性的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗模型

本模型試驗在新疆農業(yè)大學水力學實驗廳進行。模型邊墻及底板均由亞克力有機玻璃板制作而成。彎道過水斷面為矩形，底寬B=80 cm，邊墻高H=16 cm，為避免來流對彎道水流的影響，模型上游進口段布置長度為60 cm的過渡直段，進口段后接中心角為60°的彎道段，彎道末端接長度為140 cm的出口直線段，使水流能夠平順下泄，模型沿程底坡系數(shù)i=0.025。整個模型試驗裝置系統(tǒng)包括穩(wěn)流前池（池內設置調流板）、進口段、彎道段、下游調整段、量水堰、地下水庫、水泵。

導流墩模型為矩形長方體，寬、高分別為1.5、3.0 cm。在彎道進口處布置3根長為20 cm及1根長為15 cm的導流墩，在彎段出口末端布置4根長為10 cm或15 cm兩種方案的導流墩，所有導流墩間距均為16 cm。糙條為貫穿凹凸岸的“梯形”長方體，寬為3 cm，高度從凹岸2.4 cm高漸變到凸岸1.2 cm高。以彎道末端逆水流向上12°為起點布置第1根糙條，由此向上共布置3根糙條，嚴格控制糙條間距為15 cm，導流墩、糙條聯(lián)合消能工斷面形式如圖1所示。

1.2 測量斷面

試驗測量斷面包括垂直水流方向的橫斷面和順水流方向的縱斷面，橫斷面進口段編號為0～9，共10個斷面，斷面間距為6 cm;橫斷面彎道段編號為10～30，共31個斷面，沿彎道段徑向每隔3°布置一個斷面;橫斷面出口段編號為31～50，共20個斷面，斷面間距為7 cm?？v斷面從彎道凸岸（右岸）至凹岸（左岸）編號為0～10號，共11個斷面，斷面間距為8 cm。沿水平面方向共布置了561個測點。試驗測量要素包括水深與流速。水深測量采用精度為0.01 mm的測針，由3次讀數(shù)取平均值;流速測量采用畢托管，量測點位置在距底板床面1/3水深處，設其值為該斷面垂向平均流速。水深、流速網(wǎng)格測量斷面如圖2所示。

1.3 試驗方案

依據(jù)不同流量、不同彎道末端處導流墩長度設計試驗方案。在3個不同下泄流量下導流墩在溢洪道內有兩種形態(tài)，分別為完全淹沒和部分淹沒，而糙條則完全淹沒。通過大量試驗放水觀察，導流墩設置較高會導致彎道水面結構紊亂嚴重，特別是布置導流墩的位置會出現(xiàn)水流飛濺的現(xiàn)象，因此本研究導流墩高度設為3 cm。在寬淺溢洪道彎道出口末端布置導流墩的角度及高度一定時，導流墩長度L對下游出口段的水面結構有較大影響，同時也會影響彎道內的水流流態(tài)，綜合考慮，設置L分別為10、15 cm進行試驗。具體試驗工況見表1，各工況徑寬比R/B均為1.75。

2 試驗結果與分析

2.1 水面橫比降變化

水流進入彎道后，受到慣性離心力、地球自轉偏心力、水位急漲急落及風等影響因素的作用，導致河流或溢洪道橫斷面兩端水位出現(xiàn)橫向高差，從而形成水面橫比降。而水面橫比降是反映彎道水流特性的指標，理論上采用如下公式計算[18]：

J=Z凹-Z凸B （1）

式中：J為水面橫比降;Z凹為溢洪道凹岸水位;Z凸為溢洪道凸岸水位;B為溢洪道底寬。

該溢洪道典型斷面不同工況下水面橫比降沿程變化趨勢如圖3所示。

從圖3（a1）（a2）（a3）不難發(fā)現(xiàn)：流量越大，水面橫比降越大。水流入彎后，不同流量的水面橫比降均有逐漸增大的趨勢，且在27#橫斷面位置（彎段4/5位置）達到峰值，隨后減小，降至41#橫斷面時出現(xiàn)負值，在45#橫斷面出現(xiàn)最大負橫比降。圖3（b1）（b2）（b3）為L/B=0.125 0時導流墩聯(lián)合糙條消能工布置情況下溢洪道內水面橫比降變化情況，可見相比同流量下的水面橫比降有效減小，不同流量情況下水面橫比降變化呈蛇形曲線。圖3（c1）（c2）（c3）為L/B=0.187 5時導流墩聯(lián)合糙條消能工布置情況下溢洪道內水面橫比降變化情況，同流量情況下，整個彎道段水面橫比降曲線變化更平緩，且在水流出彎后30#～40#橫斷面即出口段的水面橫比降變化幅度減小，與此同時出現(xiàn)水面負橫比降的位置也有向下游發(fā)展的趨勢。對9種工況水面橫比降綜合分析發(fā)現(xiàn)，溢洪道內布置導流墩糙條聯(lián)合消能工后水面橫比降得到有效改善。隨著流量變大，水面橫比降逐漸增大;彎段出口末端導流墩長度對出彎道及彎道段水流流態(tài)有一定影響，L/B=0.187 5的水力條件優(yōu)于L/B=0.125 0的，此時溢洪道內整體水面橫比降變化平緩。

2.2 水面結構形態(tài)

各工況水面結構見圖4。分析發(fā)現(xiàn)，工況1最大水深發(fā)生位置處于彎道40#橫斷面前后，此位置水深明顯壅高，最大水面差達12 cm，水流形態(tài)惡劣。圖4（b）（c）分別為L/B=0.125 0時大流量與小流量的水面結構圖，顯然在彎道段凹凸兩岸的水面差顯著減小，整體水面波動較平緩。隨著流量的減小，溢洪道彎道段水深相應降低，且在不同流量聯(lián)合輔助消能工作用下，彎道內水流均有向上游遷移趨勢，說明在導流墩及糙條作用下，水流受到“前導”“后消”共同作用，逼迫水流向彎道凸岸運動，而出彎后水流仍呈現(xiàn)凹凸水面差，碰撞兩岸邊墻后，繼而形成沖擊波。

圖4（d）～（f）為L/B=0.187 5時不同流量的水面結構形態(tài)。增加彎段出口導流墩長度后，觀察溢洪道彎道段及出口段水深變化得出，彎道段水面流態(tài)起伏變化幅度較平緩，且出口段水流形態(tài)得到了明顯改善，兩岸水面高差變小，水流沖擊波及波浪幅度得到了很好的控制，整個溢洪道內水流平滑下泄。說明L/B=0.187 5導流墩聯(lián)合糙條輔助消能工可以更好地調整水流流態(tài)。但需指出的是，任一聯(lián)合消能工組合作用下，溢洪道彎道段水深降低效果不太明顯，更多地表現(xiàn)在降低了水面橫比降、水流沖擊波及波浪幅度。

2.3 典型斷面縱向流速分布規(guī)律與水流動力軸線

2.3.1 典型斷面縱向流速分布

根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算得到各工況典型斷面沿程最大流速及消能率，見表2。對比分析可見，與不加輔助消能工工況相比，布置導流墩聯(lián)合糙條消能工后，彎道段最大流速明顯減小。隨流量的增大，各斷面最大流速有增大趨勢，且沿程流速也逐漸增大。對比工況1、2、3，兩組水力條件的消能效果在彎道段優(yōu)于進口段與出口段的，最大消能率可達60%。說明在彎道段布置聯(lián)合輔助消能工后水流動量重新調整，且彎道邊界條件改變，改善了彎道流態(tài)與流速分布，大大縮短了縱向流速分布的調整距離[8]。另外需要指出的是：對比兩組水力條件下的試驗數(shù)據(jù)可知，彎道出口段導流墩長度增大可以更好地改善進口段、彎道段及出口段各水力要素。就本研究而言，L/B為0.187 5時彎道水力條件最佳。

2.3.2 水流動力軸線

水流動力軸線為各橫斷面最大縱向平均流速所在點連線的水平投影，又稱為主流線。通過研究彎段溢洪道水流動力軸線變化的幅度，可以分析整個溢洪道的動量遷移和流速分布，即水流的穩(wěn)定程度。圖5（a）～（c）為各工況水流動力軸線沿程變化情況。對比發(fā)現(xiàn)，不同流量下任一不加輔助消能工的水流動力軸線在彎道段均呈現(xiàn)向凸岸偏移的趨勢，這是水流受到彎道離心力作用造成的結果。而在加設導流墩聯(lián)合糙條輔助消能工后，隨流量的增大，L/B=0.125 0和L/B=0.187 5兩種水力條件下6組試驗工況水流動力軸線在彎道段均不同程度向溢洪道中軸線靠近且出現(xiàn)不同幅度的波動。而在出彎后又一定程度向溢洪道中軸線波動，且L/B=0.187 5水力條件下水流動力軸線較優(yōu)。原因是水流進入彎道后，首先受到彎道入口段導流墩的制約，一部分水流被導向凸岸，在遇到凸岸邊壁時形成一股縱軸渦流并與來流形成一定角度的對沖，之后在糙條作用下，底層水流又指向凸岸，從而形成復雜交錯的三維混流，使得凸岸流速開始降低，水流動力軸線也將向凹岸方向遷移。同理，出彎后的水流動力軸線一定程度向溢洪道中軸線偏移。

3 結 論

通過對R/B為1.75的60°彎段溢洪道進行模型試驗，從水面橫比降、水面結構形態(tài)、沿程流速變化規(guī)律及水流動力軸線4個方面綜合考慮分析，得出如下主要結論：

（1）通過在溢洪道內合理布置導流墩與糙條聯(lián)合輔助消能工的研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合輔助消能工能夠很好地制約彎道環(huán)流的產生、降低水面橫比降、改善水面結構及調整水流動力軸線，并能夠有效地避免下游調整段沖擊波的形成。

（2）導流墩糙條聯(lián)合消能工對水流有顯著導流效果。不同工況下，隨著流量變大，水面橫比降增大;彎段出口末端導流墩長度對出彎道及彎道段水流流態(tài)有一定影響，L/B=0.187 5的水力條件優(yōu)于L/B=0.125 0的，此時溢洪道內水面橫比降變化平緩，整體水面結構平穩(wěn)。

（3）就本研究而言，L/B為0.187 5時，消能率在彎道段優(yōu)于進口段與出口段，最大消能率可達60%。說明在彎道段布置聯(lián)合輔助消能工對水流動量有重新調整，且改變了彎道邊界條件，改善了彎道水流流態(tài)與流速分布，能夠更好地調整水流動力軸線趨于彎道中軸線，大大縮短縱向流速分布的調整距離。相比類似輔助消能工，糙條聯(lián)合導流墩消能工布置在彎道內更加節(jié)約工程投資，且施工較方便。

參考文獻：

[1] 張紅武，呂昕.彎道水力學[M].北京：水利電力出版社，1993：58-60.

[2] 邱秀云，侯杰，孫濤，等.一種消除陡坡彎道急流沖擊波的新措施[J].水力發(fā)電，1998（11）：18-20.

[3] 周勤，伍超，趙元弘，等.“S”型溢洪道水流特性試驗與數(shù)值模擬研究[J].水力發(fā)電學報，2005，24（3）：78-82.

[4] 哈岸英，劉磊.明渠彎道水流運動規(guī)律研究現(xiàn)狀[J].水利學報，2011，42（12）：1462-1469.

[5] 周星，楊校禮，高峰.斜檻法在山區(qū)彎道河流消能設計中的應用[J].水電能源科學，2014，32（3）：126-128.

[6] 哈岸英，李國棟，楊蘭，等.丁壩群間取水建筑物局部流場及其沖淤變形的試驗研究[J].應用基礎與工程科學學報，2012，20（4）：602-611.

[7] 張建民，王玉蓉，楊永全，等.過懸柵、懸板柵水流流場測試及消能分析[J].四川大學學報（工程科學版），2002（2）：36-38.

[8] 白音包力皋，孫東坡，李國慶.導流柵對彎道水流動量調整的研究[J].水利學報，2001，32（1）：1-5.

[9] KIKKAWA H. Flow and Bed Topography in Curved Open Channels[J].Hydra. Div.，1976，102（9）：1327-1342.

[10] 魏祖濤，侍克斌，陳成林，等.溢洪道加糙對水流流態(tài)影響的試驗研究[J].水資源與水工程學報，2010，21（5）：76-78.

[11] 王田田，常倩，張慶華，等.導流墻對彎道橫斷面水面差影響實驗[J].南水北調與水利科技，2016，14（6）：148-153.

[12] 滕曉敏，陳威，楊金孟，等.透水斜檻對溢洪道泄槽彎道水流改善效果試驗[J].南水北調與水利科技，2018，16（5）：175-182.

[13] 傅燦，邱勇，余雄杰，等.一種改善溢洪道陡槽彎道水流流態(tài)的措施研究[J].南水北調與水利科技，2010，8（1）：49-51.

[14] 孫娟，陳曉梅.導流墩和糙條對溢洪道彎道水流的調整作用[J].新疆水利，2001（6）：6-9.

[15] 李錦艷，牧振偉，李新.多彎段溢洪道加設導流墩糙條后水流三維數(shù)值模擬[J].水利與建筑工程學報，2016，14（1）：91-95.

[16] 李錦艷.多彎段溢洪道糙條對水流消能導流作用研究[D].烏魯木齊：新疆農業(yè)大學，2016：14-23.

[17] 李凡琦，牧振偉，賈萍陽，等.彎段溢洪道糙條水面結構及渦流演化分析[J].水電能源科學，2018，36（8）：85-89.

[18] 孫一，趙小娥，王協(xié)康.彎道水流對下游回水響應特征試驗研究[J].水科學進展，2010，21（5）：600-605.

【責任編輯 張華巖】