跌坎消力池臨底流速試驗(yàn)研究

楊 敏，李會(huì)平，李樹寧，董天松

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

跌坎消力池臨底流速試驗(yàn)研究

楊 敏，李會(huì)平，李樹寧，董天松

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

基于模型試驗(yàn)結(jié)果，分析比較了跌坎消力池與傳統(tǒng)消力池的臨底流速分布以及最大臨底流速分布特性．分析結(jié)果表明：跌坎消力池臨底流速分布為谷峰型；在其他條件一定時(shí)，隨著跌坎高度增加，消力池最大臨底流速減??；隨著入池能量的增大，射流能量增大，到達(dá)底板的最大臨底流速也相應(yīng)增大；僅改變跌坎消力池的入池角時(shí)，隨著入池角的增大，跌坎消力池最大臨底流速相應(yīng)增大．研究結(jié)果可為跌坎消力池的設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)．

水力學(xué)；跌坎消力池；模型試驗(yàn)；臨底流速；流態(tài)

高壩大單寬流量泄水建筑物常出現(xiàn)高速水流問題，一般認(rèn)為流速大于20,m/s時(shí)，就必須按高速水流來對(duì)待．下泄的高速水流具有巨大的能量和相當(dāng)大的沖刷破壞能力．如果不對(duì)高速水流加以控制，會(huì)對(duì)建筑物造成破壞．常見的破壞模式有高速水流直接誘發(fā)底板的空化空蝕破壞以及高速含沙水流對(duì)消力池的磨蝕發(fā)展到一定程度后出現(xiàn)的空化空蝕破壞．不少采用底流消能的消力池工程也產(chǎn)生了空蝕破壞[1]．底流消能工應(yīng)用于高水頭、大單寬流量泄洪工程時(shí)，由于底流消能工是通過水躍進(jìn)行消能的，水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，能量耗散主要集中在消力池前半?yún)^(qū)，作用在消力池的臨底流速往往會(huì)較大，會(huì)直接影響消力池的底板穩(wěn)定，容易造成消力池底板破壞[2]，對(duì)底板的防沖保護(hù)難度很大．與常規(guī)消力池相比，跌坎消力池是一種新型的消能方式，它能夠有效地降低傳統(tǒng)底流消能工存在的消力池的臨底流速高的問題[3-5]．臨底流速是底流消能工的一項(xiàng)重要水力學(xué)指標(biāo)，本文通過模型試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法來研究跌坎消力池和傳統(tǒng)消力池的臨底流速的分布形式以及影響因素，探討了跌坎消力池臨底流速沿程分布和躍首流速、跌坎高度、入池能量以及入池角對(duì)跌坎消力池最大臨底流速的影響，并探索降低跌坎消力池臨底流速的有效措施，以期為跌坎消力池的設(shè)計(jì)提供參考.

1 模型簡介

本文以某跌坎消力池的穩(wěn)定性研究為背景．混凝土面板堆石壩最大壩高155,m，水庫正常蓄水位1,618,m，死水位1,602,m，與正常蓄水位相應(yīng)的庫容為7.27×108,m3．溢洪道布置于右岸，為樞紐的主要泄洪建筑物，出口采用底流消能．溢洪道最大泄量15,500,m3/s，最大泄洪落差近100,m，陡槽寬73.5,m，高水頭、大泄量帶來的消力池表面抗沖磨和結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)穩(wěn)定問題突出．

跌坎消力池試驗(yàn)體型如圖1所示，模型長度比尺Lr=50．體型1為傳統(tǒng)消力池，體型2～4為跌坎消力池．體型2跌坎處樁號(hào)為0+360.0,m，高程為1,505.6,m；體型3跌坎處樁號(hào)為0+360.0,m，高程為1,503.1,m；體型4跌坎處樁號(hào)為0+407.3,m，高程為1,495.7,m．沿著消力池底板中心線布置固定式畢托管來測量臨底流速．

圖1 消力池試驗(yàn)體型(單位：m)Fig.1 Testing configuration of the stilling basin (unit：m)

圖2 k=0.06時(shí)臨底流速沿程分布Fig.2 Distribution of underflow velocity along the stilling basin when k=0.06

圖3 k=0.07時(shí)臨底流速沿程分布Fig.3 Distribution of underflow velocity along the stilling basin when k=0.07

圖4 k=0.09時(shí)臨底流速沿程分布Fig.4 Distribution of underflow velocity along the stilling basin when k=0.09

2 消力池臨底流速分布規(guī)律

引進(jìn)反映流量與水頭綜合作用的無量綱參數(shù)流能比k=q/(g0.5h1.5)，其中q為單寬流量，h為上下游水位差；用a/p表征不同的跌坎體型，其中a為跌坎高度(跌坎到消力池底板的高度)，p為壩高(溢流壩頂?shù)较Τ氐装宓母叨?，a/p=0表征傳統(tǒng)消力池體型1，a/p=0.22、a/p=0.20以及a/p=0.13分別用來表征跌坎型消力池體型2、3和4．將測點(diǎn)位置x(測點(diǎn)與消力池首端的距離)與消力池長度l的比值x/l作為測點(diǎn)的相對(duì)位置，以模型實(shí)測消力池中線臨底流速v與躍首流速v0的比值v/v0作為測點(diǎn)的相對(duì)臨底流速．以x/l為橫坐標(biāo)、v/v0為縱坐標(biāo)，將多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪于圖上，圖2～圖4所示為不同體型消力池在各水力條件下消力池的相對(duì)臨底流速沿程分布.

由圖2～圖4可以看出：在各水力條件下，傳統(tǒng)消力池與跌坎消力池底板中線臨底流速的分布規(guī)律有所不同．傳統(tǒng)消力池底板中線臨底流速都是從射流沖擊點(diǎn)突然增大到最大值后逐漸衰減，臨底流速分布為升峰型；而跌坎消力池底板中線臨底流速都在射流沖擊點(diǎn)上游為反向流速，射流沖擊點(diǎn)下游為順?biāo)鞣较蛄魉伲翼標(biāo)鞣较蛄魉傧瓤焖僭龃蟮阶畲笾岛笾饾u衰減，臨底流速分布為谷峰型．

在沖擊點(diǎn)下游，傳統(tǒng)消力池的升峰型相對(duì)臨底流速降低率大于跌坎消力池的谷峰型相對(duì)臨底流速降低率．在相同水力條件下，傳統(tǒng)消力池最大臨底流速是躍首流速的84%～87%，發(fā)生在消力池底板相對(duì)位置x/l=0.13處；跌坎消力池(a/p=0.22)最大臨底流速是躍首流速的42%～51%，發(fā)生在底板相對(duì)位置x/l=0.42～0.51處．跌坎消力池(a/p=0.22)底板相對(duì)最大臨底流速相較于傳統(tǒng)消力池降低了40%～50%，這是由消力池呈現(xiàn)的流態(tài)所決定的．圖5和圖6所示分別為模型實(shí)測得到的傳統(tǒng)消力池與跌坎消力池流態(tài)．利用水躍進(jìn)行消能是傳統(tǒng)消力池與跌坎消力池的共同特點(diǎn)；傳統(tǒng)消力池的流態(tài)為附壁射流和水躍的混合流，消力池首端流態(tài)比較平穩(wěn)，高速主流貼壁射出，臨底最大流速比較大；跌坎消力池的流態(tài)[6]為淹沒沖擊射流和水躍的混合流態(tài)，高速主流沒有完全潛底，消力池首端表面有射流擴(kuò)散、水面波動(dòng)較大，但是臨底最大流速較傳統(tǒng)消力池有大幅降低．

圖5 傳統(tǒng)消力池流態(tài)Fig.5 Flow pattern of the routine stilling basin

圖6 跌坎消力池流態(tài)Fig.6 Flow pattern of the stilling basin with drop sill

3 跌坎高度對(duì)最大臨底流速的影響

將模型實(shí)測的體型1～3在流能比0.06k=、0.07、0.09水力條件下的消力池最大臨底流速vmax用躍首流速v0無量綱化，得到相對(duì)最大臨底流速vmax/v0．以不同體型的跌坎相對(duì)高度/ap為橫坐標(biāo)、最大相對(duì)臨底流速vmax/v0為縱坐標(biāo)，將最大臨底流速與跌坎高度的關(guān)系數(shù)據(jù)繪于圖中，如圖7所示．在相同水力條件下，隨著/ap的增大，底板中線最大臨底流速都是遞減的，即在混合流流態(tài)情況下，隨著跌坎高度的增大消力池底板中線最大臨底流速相應(yīng)降低[7-9]．這是由于相同水力條件下，主流射程和射流沖擊區(qū)前面的底流反向旋滾區(qū)都隨著跌坎高度的增大而增大，使得主流與周圍流體的摩擦、剪切作用更加充分，加大了能量的消耗，從而大幅度地減小了主流到達(dá)消力池底板的流速；另一方面，消力池里的動(dòng)水墊深度隨著跌坎高度的增大而增大，從而增大了射流到達(dá)底板過程中的能量耗散[10-11]，最終導(dǎo)致消力池臨底流速的減?。?/p>

圖7 跌坎高度與最大臨底流速Fig.7 Drop sill height and the maximum underflow velocity

將不同水力條件下的消力池底板相對(duì)最大臨底流速與相對(duì)跌坎高度進(jìn)行擬合，得k=0.09時(shí)，

k=0.07時(shí)，

k=0.06時(shí)，

4 入池能量對(duì)最大臨底流速的影響

在不同來流條件下，模型實(shí)測的體型1～3的消力池中線底板相對(duì)最大臨底流速與入池能量的數(shù)據(jù)關(guān)系如圖8所示，此處用流能比k表征入池能量的大?。?/p>

圖8 入池能量與最大臨底流速Fig.8 Inlet energy and the maximum underflow velocity

消力池底板中線最大臨底流速隨著流能比的增加而增加，并且跌坎消力池相對(duì)最大臨底流速較傳統(tǒng)消力池增長較快．原因是隨著流能比的增加，入池射流水舌厚度以及沖擊區(qū)域都有所增大．根據(jù)郭子中[12]的底混流理論，射流在水躍流中墜底流動(dòng)，無初始變形，因此隨著入池能量的增大，射流能量增大，到達(dá)底板的臨底最大流速也相應(yīng)增大．

將不同跌坎型式的消力池底板相對(duì)最大臨底流速與流能比進(jìn)行擬合，得/0ap=時(shí)，

a/p=0.22時(shí)，

a/p=0.20時(shí)，

5 入池角與消力池最大臨底流速

圖9為體型4(a/p=0.13)跌坎消力池入池角改變示意，入池角度是指跌坎上水流方向與水平方向的夾角，文中給出了3個(gè)不同的入池角，分別為0°、5°和10°．

圖9 跌坎消力池入池角改變示意Fig.9 Inlet angel change of stilling basin with drop sill

不同水力條件下，不同入池角的跌坎消力池底板中線最大臨底流速如圖10所示．在跌坎位置和高度不變且流態(tài)為淹沒沖擊射流和水躍混合流時(shí)，跌坎消力池中線最大臨底流速隨著入池角的增大而增大．這是因?yàn)樗鞯娜氤亟怯绊懼髁魃涑?，隨著入池角的增大，主流射程減小，淹沒射流沖擊點(diǎn)位置更靠近跌坎，反向旋滾區(qū)減小，從而減小了主流與周圍流體的剪切、摩擦面積，使得主流沿程能量消耗降低，最終使得到達(dá)消力池底板時(shí)的流速增大．

圖10 入池角與最大臨底流速Fig.10 Inlet angel and the maximum underflow velocity

6 結(jié) 論

(1) 根據(jù)模型實(shí)測的消力池臨底流速分布可以看出：傳統(tǒng)消力池臨底流速為升峰型分布模式，跌坎消力池臨底流速為谷峰型分布模式；跌坎消力池的臨底流速較傳統(tǒng)消力池有大幅降低．

(2) 根據(jù)模型實(shí)測的不同坎高的消力池臨底流速分布可以發(fā)現(xiàn)：跌坎高度是影響消力池臨底流速的重要因素．在其他條件一定時(shí)，消力池臨底最大流速隨著跌坎高度增加而減小．?dāng)M合出的公式vmax/v0= -1.58a/p +0.87(k=0.09)，vmax/v0=-1.68a/p+0.85(k= 0.07)，vmax/v0=-1.84a/p+0.84(k=0.06)可以作為跌坎高度變化時(shí)估算消力池最大臨底流速的計(jì)算公式.

(3) 根據(jù)模型實(shí)測的不同入池能量的消力池臨底流速分布可以看出：射流能量隨著入池能量的增大而增大，到達(dá)底板的最大臨底流速也相應(yīng)增大．?dāng)M合出的公式vmax/v0=2.9k+0.25(a/p=0.22)和vmax/v0= 2.5k+0.35(a/p=0.20)可以作為入池能量變化時(shí)估算跌坎消力池最大臨底流速的計(jì)算公式．

(4) 根據(jù)模型實(shí)測的不同入池角的消力池臨底流速分布可以看出：在跌坎位置和高度不變且流態(tài)為淹沒沖擊射流和水躍混合流時(shí)，跌坎消力池中線最大臨底流速隨著入池角的增大而增大．

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Testing Study on Underflow Velocity of Stilling Basin with Drop Sill

Yang Min，Li Huiping，Li Shuning，Dong Tiansong
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Based on the model test results，the distribution characteristic of underflow velocity and the maximum underflow velocity were compared between the stilling basin with drop sill and the routine stilling basin. The analysis results show that the underflow velocity distribution pattern in the stilling basin with drop sill belongs to valley-peak model. The influence of drop sill height，inlet energy and inlet angel on the maximum underflow velocity was investigated. Under other given conditions，the maximum underflow velocity in the stilling basin with drop sill increases with the increase of such indexes as drop sill height，inlet energy and inlet angel. The maximum underflow velocity formula was obtained as drop sill height or inlet energy changed. The results can provide a reference and guidancefor designing the stilling basin with drop sill.

hydraulics；stilling basin with drop sill；model test；underflow velocity；flow pattern

TV131

A

0493-2137(2013)04-0342-05

DOI 10.11784/tdxb20130409

2012-12-03；

2012-12-28．

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179119)；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51021004)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(200901081)．

楊 敏（1956— ），男，博士，教授，minyang2000@163.com．

李會(huì)平，lhptju@126.com．