一種新型消能結(jié)構(gòu)水力試驗(yàn)研究

吳福珍 勵(lì)澤 祝銀玥

摘 要：針對(duì)普通挑流消能效果不突出、造成下游嚴(yán)重沖刷等問題，本文在普通溢流壩結(jié)構(gòu)及消能機(jī)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(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)

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(shè)計(jì)者棘手的問題，地質(zhì)條件差，挑流消能造成的嚴(yán)重沖刷，會(huì)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(wù)，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(zhǎng)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(jī)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(yàn)，驗(yàn)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(dǎo)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(gè)高層挑流導(dǎo)流道。溢流壩面到達(dá)挑流弧底時(shí)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(shí)，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(dǎo)流道把泄流鉛直向挑起的同時(shí)將泄流水平向?qū)虻蛯犹袅鞯婪较颍ㄟ^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(dǎo)流道的射流高因而近，低層挑流道的射流低因而遠(yuǎn)，高層挑流導(dǎo)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(qiáng)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(shè)置成不同尺寸。

2 新型溢流壩消能效果水槽試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)場(chǎng)地及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)在浙江水利水電學(xué)院水流動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)儀器為浙江大學(xué)毛根海教授團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)槽（型號(hào)：MGU-FF3-2-3），水槽長(zhǎng)度l=35cm，寬度b=10.0cm，最大進(jìn)口流量Q=20m?/h，模型放置于試驗(yàn)水槽中進(jìn)行防浪結(jié)構(gòu)沖刷試驗(yàn)。利用高速相接抓拍試驗(yàn)中的水流消能形態(tài)（佳能750D，EF-S 18-135 1：3.5-5.6 STM）。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵阅骋缌鲏螢樵透?0.8m，模型高10.8cm，模型幾何比尺1：100，按正態(tài)、重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，并考慮阻力相似，模型全部采用光敏樹脂材料進(jìn)行3D打印制作而成（表面處理十分光滑），且模型上設(shè)置3條高層挑流道數(shù)、4條低層挑流道、3個(gè)分水尖以及6條高層挑流導(dǎo)流道，同時(shí)制作一個(gè)普通的溢流壩結(jié)構(gòu)作為對(duì)比試驗(yàn)，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(jì)算

2.3 試驗(yàn)一：消能效果對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)

采用新型消能結(jié)構(gòu)模型與普通溢流壩模型，進(jìn)行消能效果對(duì)比觀測(cè)水槽試驗(yàn)。利用水槽下的閥門控制上游水位高度，分別觀測(cè)上位水位處于高、中、低狀態(tài)水流下泄時(shí)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(yàn)時(shí)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(jī)連續(xù)拍攝挑坎挑起水流時(shí)的形態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，從對(duì)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(yàn)時(shí)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(jī)連續(xù)拍攝挑坎挑起水流時(shí)的形態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從對(duì)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(yàn)時(shí)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(jī)連續(xù)拍攝挑坎挑起水流時(shí)的形態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果圖5所示。從對(duì)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(shí)現(xiàn)分道挑流，高層挑流導(dǎo)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(qiáng)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(yàn)效果而言，消能效率有著實(shí)質(zhì)性提升。

3 結(jié)論

通過物理模型水力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該新型消能結(jié)構(gòu)具有高效消能的特點(diǎn)，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(shí)，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(dá)到很好的消能防沖刷效果。

參考文獻(xiàn)

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

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

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

[4]浙江水利水電學(xué)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(xué) [M].高等教育出版社，2011.

[6]徐兆凱，謝鋒，李東風(fēng).攔沙把對(duì)上游橋梁沖刷防護(hù)的效果測(cè)試及分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，29（1）：18-23.

基金項(xiàng)目：浙江省水利廳科研基金（RC1923）