圓孔格柵不同開孔率對(duì)井式消能水力特性的影響研究

陳秋蓉，邱勇，段勝禹，羅國立，胡祥森

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

在地形多變、陡峭的峽谷型山區(qū)，消力井體型簡(jiǎn)單、靈活、對(duì)地形地質(zhì)條件有很好的適應(yīng)性，但井深和井徑的大小直接影響下泄水流的消能效果和工程投資。文獻(xiàn)[1]通過模型試驗(yàn)對(duì)豎井旋流泄洪洞中豎井與導(dǎo)流洞銜接段體型的優(yōu)化進(jìn)行研究，并給出了合理的消力井深度；文獻(xiàn)[2]針對(duì)低落差、小流量情況下，水平柵條在消力池內(nèi)順流方向和垂直水流方向布置時(shí)的消能機(jī)理試驗(yàn)研究；文獻(xiàn)[3]針對(duì)小落差泄水建筑物已有研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，對(duì)柵條及矩形開孔格柵篩網(wǎng)式消能工在消力池中的結(jié)構(gòu)布置、水力計(jì)算、消能計(jì)算給出了建議。已有文獻(xiàn)多針對(duì)豎直進(jìn)水旋流消力井或底流消力池格柵布置開展研究。對(duì)于斜向進(jìn)水消力井，研究團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[4-6]針對(duì)井深、井徑變化及出口尾水底板高程的變化情況，對(duì)消力井水力特性進(jìn)行研究。

1 方案設(shè)計(jì)

消力井布置于坡比為1∶1.5、寬為150 mm的溢洪道泄槽末端，泄槽最大水頭為2.19 m，消力井直徑為580 mm，井深0.665 m，底板高程0.10 m，格柵置于斜向進(jìn)水式消力井中0.30 m處，見圖1。

矩形開孔格柵盡管施工方便，但在射流作用下的結(jié)構(gòu)受力相對(duì)復(fù)雜，故試驗(yàn)研究選擇圓形開孔格柵,平面上呈梅花狀等間距交錯(cuò)布置，開孔率(格柵開孔面積與格柵面積之比)分別為40%、35%、30%，見表1。

表1 格柵柵孔參數(shù)

2 試驗(yàn)成果分析

測(cè)點(diǎn)布置：沿射流方向在消力井底板布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，以消力井圓心為中心測(cè)點(diǎn)O，其上游側(cè)布置測(cè)點(diǎn)-3、-2、-1，其下游側(cè)布置測(cè)點(diǎn)1、2、3，邊緣測(cè)點(diǎn)-3、3,距離邊壁6.5 cm，其余測(cè)點(diǎn)相鄰間距為7.5 cm(圖1b)。

2.1 消力井水體結(jié)構(gòu)分區(qū)

根據(jù)水流流態(tài)，沿射流軸線方向，將消力井內(nèi)水流結(jié)構(gòu)劃分為沖擊區(qū)、上附壁射流、入柵分割水體(圖2)。

a) 沖擊區(qū)。入射水流斜向進(jìn)入消力井，在上部水體作用下，水股出現(xiàn)向下偏折沖擊到格柵上，形成入柵分割水體及向上的附壁射流。

b) 上附壁射流。射流沖擊到格柵板上，部分水體向上形成上附壁射流，并在消力井表面形成明顯的水突翻卷和表面旋滾。

c) 入柵分割水體。入射水流沖擊在格柵上，經(jīng)格柵分割成股落下，可見大量氣泡隨水股往底板方向移動(dòng)，水體與格柵下部水墊充分混摻。

2.2 消力井底板壓強(qiáng)特性分析

研究通過CY201高精度數(shù)字壓力傳感器(測(cè)量內(nèi)容包括脈動(dòng)壓強(qiáng)最大值、最小值、峰峰值、平均值、 標(biāo)準(zhǔn)差， 測(cè)量精度0.1%，量程0～50 kPa)測(cè)試得到消力井底板測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)，圖3為消力井底板中心測(cè)點(diǎn)0某一時(shí)段的脈動(dòng)壓強(qiáng)特性。

2.2.1消力井底板時(shí)均壓強(qiáng)

文獻(xiàn)[7]中已經(jīng)給出了開孔率為40%，格柵位于消力井不同高程處的底板水力特性變化：底板時(shí)均壓強(qiáng)沿射流方向均呈先增大后減小趨勢(shì)，其中射流落點(diǎn)附近時(shí)均壓強(qiáng)最大。在此基礎(chǔ)上，給出了格柵布置的推薦方案?；谝延谐晒?，試驗(yàn)進(jìn)一步研究相同格柵布置、不同開孔率條件下消力井水力特性的變化。結(jié)論表明：改變格柵開孔率，底板時(shí)均壓強(qiáng)的分布及變化規(guī)律相同。

高速入射水流進(jìn)入消力井后，其沖擊力直接影響消力井結(jié)構(gòu)安全，時(shí)均壓強(qiáng)為脈動(dòng)水流在某一時(shí)段的統(tǒng)計(jì)平均值，能夠很好地反映消力井底板在入射水流作用下的受力情況。

泄槽末端不同流量情況下的流速v1分別為2.67 m/s(Q=6 L/s)、3.71 m/s(Q=12 L/s)、4.50 m/s(Q=18 L/s)，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到不同試驗(yàn)方案(開孔率)在3組流量下底板時(shí)均壓強(qiáng)沿射流方向的分布，見圖4。

圖4消力井底板時(shí)均壓強(qiáng)分布

在相同流量下，消力井底板水股落點(diǎn)附近時(shí)均壓強(qiáng)隨格柵開孔率的降低而降低，但出口水流流態(tài)趨于惡化。

流量Q=12 L/s情況下，格柵開孔率為40%(方案一)時(shí)，斜向入射水流沖擊柵板后，大部水體經(jīng)柵孔分割為直徑較大的斜向水股下落，消力井底板測(cè)點(diǎn)1處時(shí)均壓強(qiáng)最大，達(dá)到6.928 kPa，并且柵板下部水體紊動(dòng)劇烈；入射水流的一部分沖擊柵板后向上彈射，形成沿井壁上行的附壁射流(水面可見水突)，致使消力井出口主流稍偏于尾水渠左側(cè)(臨邊平均最大水深12.1 cm)，橫斷面最大水深差值為0.8 cm，消力井內(nèi)水體及尾水渠流態(tài)較為平順。

格柵開孔率降低到35%(方案二)時(shí)，格柵開孔率減小(孔數(shù)增加，柵孔直徑減小)，入射水流經(jīng)格柵分割為直徑較小的水股下落，分割水股落點(diǎn)向消力井中心測(cè)點(diǎn)0偏移，最大時(shí)均壓強(qiáng)(6.844 kPa)有所降低，但格柵下部水體的紊動(dòng)程度明顯減輕；入射水流在柵板上的彈射增強(qiáng)，但對(duì)格柵上部水體以及出口尾水渠水流流態(tài)影響均較小。消力井出口處主流位置偏于左側(cè)(臨邊最大平均水深12.4 cm)，橫斷面最大水深差值為1.4 cm。

格柵開孔率進(jìn)一步減小為30%(方案三)，隨著孔數(shù)減少(柵孔直徑不變)，消力井底板最大時(shí)均壓強(qiáng)為6.835 kPa，數(shù)值變化不大，但格柵下部水體更為平穩(wěn)，入柵水股攜帶氣泡現(xiàn)象明顯減輕；入射水流在柵板上的彈射現(xiàn)象加劇，上附壁射流爬升高度增加，上涌水突明顯，加劇了消力井內(nèi)水流紊亂；消力井出口主流斜向右岸偏移(臨邊最大平均水深13.4 cm)，尾水渠橫斷面差值水深達(dá)到2.6 cm，已經(jīng)形成折沖水流，尾水渠流態(tài)顯著惡化。

對(duì)于相同的格柵開孔率，隨流量增加，消力井底板時(shí)均壓強(qiáng)呈增加趨勢(shì)，并且由于射流落點(diǎn)前移，消力井底板時(shí)均壓強(qiáng)最大值越靠近下游井壁。

2.2.2底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差

高速入射水流進(jìn)入消力池后會(huì)引起水流不同程度的脈動(dòng)，此過程伴隨能量的遷移和消散，但脈動(dòng)強(qiáng)度過大會(huì)對(duì)建筑物的安全造成威脅，脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差可反映壓強(qiáng)脈動(dòng)的強(qiáng)度。

試驗(yàn)得到不同開孔率的格柵在Q=6、Q=12、Q=18 L/s 3組流量下消力井底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差的變化，見圖5。

圖5消力井底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差

由圖5可知，下泄流量相同時(shí)，隨格柵開孔率的變化，消力井底板測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差沿射流方向的變化曲線呈“M”形狀。分析其原因，在于測(cè)點(diǎn)0位于沖擊區(qū)下方，在分割水股作用下，盡管該測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)最大，但脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差較??；測(cè)點(diǎn)-1、1位于入柵分割水股區(qū)邊緣，受格柵上部紊動(dòng)水體影響，盡管測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)不大，但脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差大于消力井中心測(cè)點(diǎn)。

相同下泄流量下，水股落點(diǎn)區(qū)底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差隨著開孔率的降低而減小，客觀上減弱了水股對(duì)消力井底板的擾動(dòng)。Q=12 L/s時(shí)，格柵開孔率為40%(方案一)下，測(cè)點(diǎn)1處脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.171；當(dāng)格柵開孔率降低至35%(方案二)時(shí)，脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差降低至0.146，降幅為15%；格柵開孔率繼續(xù)降低至30%(方案三)，脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差降低至0.142，但降幅僅為0.3%。相同格柵開孔率時(shí)，隨著流量的增大，底板脈動(dòng)壓強(qiáng)峰峰值呈增大趨勢(shì)。

2.2.3底板脈動(dòng)壓強(qiáng)峰峰值

底板脈動(dòng)壓強(qiáng)峰峰值為同一測(cè)點(diǎn)上壓強(qiáng)最大值與最小值之差，反映底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的變異。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到不同流量、不同開孔率下消力井底板沿程脈動(dòng)壓強(qiáng)的峰峰值，見圖6。

由圖6可知，相同流量不同開孔率下，沿射流方向底板脈動(dòng)壓強(qiáng)峰峰值變化曲線同樣呈“M”形狀，其分布規(guī)律和消力井底板脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差相同。

下泄流量Q=12 L/s時(shí),測(cè)點(diǎn)1在開孔率為40%(方案一)下峰峰值達(dá)1.187 kPa；開孔率減小至35%(方案二)時(shí)，峰峰值降低0.884 kPa，降幅達(dá)25.5%；開孔率繼續(xù)減小到30%(方案三)時(shí)，峰峰值反而增大到1.136 kPa。其原因在于隨著開孔率減小，格柵上部水體流態(tài)呈惡化趨勢(shì)，入柵水股受格柵上部水體脈動(dòng)影響，消力井底板脈動(dòng)壓強(qiáng)峰峰值逐漸增大。在不同流量下，相同格柵開孔率的消力井底板壓強(qiáng)峰峰值隨流量的增大同樣呈增大趨勢(shì)。

圖6消力井底板脈動(dòng)壓強(qiáng)峰峰值

2.2.4底板脈動(dòng)壓強(qiáng)頻譜特性

水流紊動(dòng)為不同尺度的漩渦作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，渦體在隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中與水體間發(fā)生碰撞、剪切、混摻，同時(shí)伴隨能量的削弱和消殺。頻域分析中的壓強(qiáng)頻譜特性能很好地反映紊流隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中能量和頻率的分布情況。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到Q=18 L/s下消力井底板脈動(dòng)壓強(qiáng)功率頻譜特性，圖7為測(cè)點(diǎn)1的功率頻譜特性。

由圖7可知，在相同下泄流量下，隨著開孔率減小，消力井底板脈動(dòng)壓強(qiáng)功率呈下降趨勢(shì)。方案一(開孔率40%)的壓強(qiáng)功率達(dá)5.1 kPa2,方案二(開孔率35%)降低至4.8 kPa2，降幅為6.0%，方案三(開孔率35%)繼續(xù)下降至4.7 kPa2，但降幅僅為2.1%。原因在于隨著開孔率降低，過柵水股數(shù)量和強(qiáng)度減少，格柵下部水墊的混摻、剪切、摩擦作用增大，消力井內(nèi)水體對(duì)渦體尺度的阻礙及吸收射流動(dòng)能的作用也相應(yīng)增大，從而使射流作用于消力井底板的能量衰減。

增設(shè)格柵前后，消力井脈動(dòng)壓強(qiáng)功率譜頻率均集中在0.1 Hz以內(nèi)，屬于低頻區(qū)(10 Hz以內(nèi))，其脈動(dòng)壓強(qiáng)主要是大振幅、低頻率的大尺度渦體，不會(huì)引起建筑物的共振破壞[10]。

3 結(jié)論

通過改變格柵孔徑和柵孔間距，研究不同開孔率(40%、35%、30%)試驗(yàn)方案條件下消力井底板水力特性的變化，成果表明：①格柵開孔率為40%時(shí)，過柵分割水股對(duì)消力井底板的沖擊最大，消力井底板水股落點(diǎn)區(qū)域時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差以及脈動(dòng)壓強(qiáng)峰峰值、功率頻譜均最大，而且格柵下部水體紊動(dòng)劇烈；②格柵開孔率減小到35%時(shí)，消力井底板時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差以及脈動(dòng)壓強(qiáng)峰峰值、功率頻譜均有所降低，其中脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差由0.171降低至0.146，降幅為 15%，脈動(dòng)壓強(qiáng)峰峰值由1.187 kPa降低至 0.884 kPa，降幅達(dá)25%，格柵下部水體紊動(dòng)程度明顯減弱，格柵上部水體及尾水流態(tài)變化不大；③格柵開孔率減小至30%時(shí)，消力井底板時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差、功率頻譜降幅明顯減小，入射水流在格柵上的彈射加劇，上附壁射流爬升高度增大，致使消力井內(nèi)水體紊動(dòng)加劇(消力井底板脈動(dòng)壓強(qiáng)峰峰值不降反增)、出口尾水渠水流流態(tài)惡化。