斜檻群不同透水率及不同高度對彎道水流的影響

張峻博,張英超,張靖*,王文康,滕曉敏

斜檻群不同透水率及不同高度對彎道水流的影響

張峻博1,張英超2,張靖2*,王文康2,滕曉敏2

1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 上海 200092 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018

為了研究不同透水率斜檻群對彎道水流特性的影響，本文進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)。通過試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，計(jì)算了最大橫向水面差及相對最大橫向水面差、水面差平均值、水面均勻度等水力學(xué)指標(biāo)并進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：斜檻群的透水率越小，對彎道水流的改善效果越好；在正弦式斜檻群中，從最大橫向水面差、水面差平均值、水面均勻度來看，斜檻的高度越高，改善彎道水流的效果越好。在余弦式斜檻群中，從最大橫向水面差、水面差平均值、水面均勻度來看，斜檻過低過高對改善彎道水流的效果都不好。

斜檻群; 透水率; 高度; 影響

溢洪道是一種常用的泄水建筑物，由于受地形、地質(zhì)、施工及運(yùn)用條件等因素的限制，在實(shí)際工程中，常常需要設(shè)置彎道段。泄槽彎道處的水流受到離心力作用使凹岸水位變深，凸岸水位變淺，且因兩側(cè)邊墻轉(zhuǎn)向被迫發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生急流沖擊波。此外，彎道急流使得斷面水深和動(dòng)量波動(dòng)范圍大，水流流態(tài)差，增加了下游消能防沖的難度。目前，在實(shí)際工程中改善彎道水流主要有以下方法：渠底橫向扇形抬高法[1]、消能柵與導(dǎo)流消能板法[2]、導(dǎo)流墩與糙條法[3]、淹沒式導(dǎo)流屏法[4]、復(fù)曲線法[5]、渠底超高法[6]、斜檻法[7,8]等。Knapp[9]利用動(dòng)量交換原理，在渠道底部設(shè)置突檻來調(diào)整彎道底部水流方向，改變了流場，平衡了凹凸岸水面差；魏炳乾[10]通過插入緩變曲線后發(fā)現(xiàn)可有效改善水流流態(tài)，減小對河道的沖刷；王鑫[11]對布置5道三種形式的斜坎進(jìn)行了可行性研究，得出斜坎對消減彎道水面超高、改善水流流態(tài)有明顯效果；滕曉敏[12]通過在溢洪道泄槽彎道段設(shè)置透水斜檻，發(fā)現(xiàn)透水斜檻對改善彎道水流的效果明顯；楊金孟[13]通過在溢洪道泄槽彎道凹岸設(shè)置透水丁壩，使彎道水面均勻度增加，改善了彎道水流條件。通過傅燦[14]等人的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，斜檻不合理布置或設(shè)計(jì)，不僅達(dá)不到消減急流沖擊波的目的, 而且會(huì)更加惡化水流流態(tài)、降低下游消能設(shè)施的效率。且在急流情況下，斜檻背水一側(cè)極易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，影響斜檻使用期限。

目前斜檻在工程中的應(yīng)用是采用統(tǒng)一規(guī)格的多根斜檻組成斜檻群對水流進(jìn)行調(diào)節(jié)。但為了找到最佳斜檻群的組合方法，本文研究不同透水率的斜檻群組合情況、以及不同高度的斜檻群組合對水流的調(diào)節(jié)能力大小，試圖找到更合適的斜檻群組合方法，為工程建設(shè)中選擇斜檻群提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)布置

本試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)包括地下水庫、水泵、高位水池、供水管道、電磁流量計(jì)、穩(wěn)流柵、渠道、模型試驗(yàn)區(qū)、尾水池、回水渠等設(shè)施。閘閥和電磁流量計(jì)用于控制和量測試驗(yàn)流量為100 m3/h，模型試驗(yàn)區(qū)用于布置試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃瓦M(jìn)行水深等指標(biāo)的測量。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵绾榈罏榫匦螖嗝?，?00 mm，溢洪道底坡=0.02。軸線半徑=1200 mm，彎道軸線長1500 mm，彎道前后泄槽均為直線連接段。彎道段均勻布置5道透水斜檻，位置分別為彎道軸線1/6、2/6、3/6、4/6、5/6圓弧處，斜檻軸線與彎道半徑角度45°，見圖1。透水斜檻采用圓形透水孔，斜檻尺寸見表1。

圖 1 溢洪道彎道斜檻布置圖

表 1 斜檻尺寸分布表

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用單因子變量法，控制其他因素不變，只研究某一個(gè)影響要素的改變對彎道水流的調(diào)整效果。本文主要討論兩個(gè)斜檻群的幾何要素，分別為透水率和檻高。即高度相同、斜檻群的透水率不同以及透水率相同、斜檻群的高度不同。透水率計(jì)算公式為：透水孔總面積/斜檻總面積。為方便設(shè)計(jì)和施工，透水孔是成行列布置的，因此只能做到近似而不能做到完全相同。通過計(jì)算和設(shè)計(jì)，透水率差別較小。本試驗(yàn)所有方案流量均為100 m3/h。溢洪道彎道開始處的弗勞德數(shù)大于1.0，保證溢洪道彎道水流為急流。按照研究要素不同，本文試驗(yàn)分成兩組。

1.3.1 斜檻群透水率組合方案本組合方案斜檻高度均為20 mm，根據(jù)不同位置斜檻的透水率分為4個(gè)方案，具體方案見表2所示。

1.3.2 斜檻高度方案本試驗(yàn)采用3個(gè)斜檻高度，分別為20 mm、30 mm、40 mm，具體方案見表3所示。

表2 斜檻群不同透水率組合方案

備注：表2中方案1斜檻群透水率變化規(guī)律為由小到大再減小，命名為正弦式斜檻群，方案2斜檻群透水率變化規(guī)律為由大到小再增大，命名為余弦式斜檻群。

Note: In table 2, the change rule of water permeability of scheme 1 is from small to large and then decreases, which is named sinusoidal sill group. The change rule of water permeability of scheme 2 is from large to small and then increases, which is named cosine sill group.

表3 斜檻群高度不同組合方案

備注：表3中方案5、8分別與表2中方案1和2相同。

Note: Scheme 5 and scheme 8 in table 3 are the same as scheme 1 and scheme 2 in table 2 respectively.

1.4 試驗(yàn)測量

試驗(yàn)測量內(nèi)容包括水位、流量。水位測量采用精度為0.01 mm的數(shù)顯水位測針。通過閘閥控制流量大小，采用中國開封儀表有限公司生產(chǎn)的E-magC型電磁流量計(jì)測量試驗(yàn)流量。

本試驗(yàn)共有18個(gè)測量斷面，其中進(jìn)口段布置3個(gè)測量橫斷面(0-0)，(1-1)，(2-2)；彎道段均勻布置13個(gè)測量橫斷面(3-3)，(4-4)，…(15-15)；出口段均勻布置2個(gè)測量橫斷面(16-16)，(17-17)。沿水流方向?qū)ΨQ布置5條縱向測線(包括左右岸邊處、泄槽底板中心線處、距底板中心線兩側(cè)1/4槽寬處)縱橫斷面的交點(diǎn)為試驗(yàn)水位測量點(diǎn)。具體見圖2。

圖 2 水位測量點(diǎn)布置圖

2 結(jié)果與分析

2.1 分析指標(biāo)

水流在溢洪道泄槽彎道上因離心力作用，泄槽彎道段水流產(chǎn)生橫向環(huán)流現(xiàn)象，河道橫斷面水深發(fā)生變化，使凹岸水面雍高凸岸水面降低，從而在過水?dāng)嗝嫔闲纬蓹M比降，致使水流不均勻。彎道段軸線設(shè)置不同透水率斜檻群的目的，就是為了改善這種水流現(xiàn)象。因此，分析彎道水流改善效果可用最大橫向水面差及相對最大橫向水面差、水面差平均值、水面均勻度等指標(biāo)來反映。

2.1.1 最大橫向水面差彎道橫斷面最大橫向水面差是彎道各個(gè)橫斷面凹岸水深與凸岸水深差的最大值，反映彎道設(shè)置透水斜檻后對彎道凹凸岸最大水面差的改善情況，按下式計(jì)算：

?max=max{|h1-h2|} (=1,2,…,5)(1)

式中：?max為橫斷面最大橫向水面差，mm；h1為彎道第個(gè)橫斷面凹岸水面深，mm；h2為彎道第個(gè)橫斷面凸岸水深，mm。

2.1.2 相對最大橫向水面差

2.1.3 水面差平均值水面差平均值是同一方案各橫斷面水面差的平均值，從整體反映了設(shè)置透水斜檻后對溢洪道彎道水面的改善情況。

2.1.4 水面均勻度水面均勻度反映溢洪道橫斷面各點(diǎn)水深的均勻情況，用下式計(jì)算：

2.2 斜檻群透水率不同組合的水流改善效果分析

2.2.1 凹岸水面線通過四條曲線對比可以看出，余弦式斜檻群的布置方法具有最低的凹岸水面線，而正弦式斜檻群的布置方法凹岸水面線相對較高，大透水率的斜檻群凹岸水面線較低，如圖3所示。

圖 3 斜檻群透水率組合方案的凹岸水面線

具體分析如下：（1）對比方案1和方案2，方案1中小透水率的斜檻布置在最前部，引發(fā)水流壅高，并在進(jìn)入彎道中部乃至后部時(shí)在較高的范圍內(nèi)進(jìn)行水面波動(dòng)，而方案2透水率較大，水流壅高被有效減弱，進(jìn)而后續(xù)波動(dòng)發(fā)生在較低的水位基礎(chǔ)上。（2）對比方案1和3，兩者具有相同的第一根斜檻的透水率，但后續(xù)斜檻的透水率不同造成了凹岸水面線變化不同。方案1水面波動(dòng)比方案3更加劇烈，且普遍凹岸水面線較高。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因在于方案1各斜檻的透水率不均，造成水流在過彎道的各個(gè)位置處所遭受的阻力不同，過流通道面積和位置也不同，因此水面線變化更加劇烈。（3）同樣對比方案2和4，方案2水面線變化也相對4更復(fù)雜。（4）由于水流過彎時(shí)的彎道水流效應(yīng)，凹岸水面線比凸岸水面線高，泄槽邊墻高度往往需要根據(jù)此進(jìn)行加高，導(dǎo)致使用的材料增加。故凹岸水面線低比較有利減少邊墻材料使用，并使水流均勻過彎，對比四組圖線，方案2和方案4具有最低的水位，說明大透水率布置時(shí)的凹岸水位調(diào)節(jié)作用最好。

2.2.2 凸岸水面線相對于凹岸水面線，凸岸水面線在不同方案時(shí)的差別更加明顯。通過四條曲線對比可以看出，大透水率的斜檻群凸岸水面線較低，透水率不變的斜檻群產(chǎn)生四者中最高和最低的凸岸水面線。如圖4所示。

圖 4 斜檻群透水率組合方案的凸岸水面線

四條線明顯分成兩組，其中方案1、3的凸岸水面線相近，而方案2、4的凸岸水面線相近。具體分析如下：（1）對比方案1和2，方案1水面線位于方案2水面線上方，因方案1首條斜檻透水率小于方案2首條斜檻透水率，導(dǎo)致方案1水面壅高值大于方案2。（2）對比方案1和3，兩者具有相同的第一根斜檻的透水率，水面線變化基本一致，在彎道中、后部方案3水位稍高、波動(dòng)略小于方案1，這是由于進(jìn)入彎道中部之后，方案1中斜檻透水率發(fā)生變化，引發(fā)水流不穩(wěn)定，故產(chǎn)生比均勻透水率方案（方案3）略強(qiáng)的波動(dòng)。（3）對比方案2和方案4，兩者具有相同的第一根斜檻的透水率，但后續(xù)斜檻的透水率不同造成了凸岸水面線變化不同。（4）由于水流過彎時(shí)的彎道水流效應(yīng)，凸岸水面線比凹岸水面線低，有時(shí)甚至出現(xiàn)露底現(xiàn)象，導(dǎo)致底板破壞。故凸岸水面線高比較有利水流均勻過彎，對比四組圖線，方案1和方案3具有最高的水位（兩者差別不大），說明小透水率變化布置時(shí)的凸岸水位調(diào)節(jié)作用最好。

2.2.3 最大橫向水面差及相對最大橫向水面差最大橫向水面差反映了同一斷面凹凸岸水面之間的最大差值，若水流絕對均勻，最大橫向水面差應(yīng)為0，故該值越小表示水流過彎越均勻。相對最大橫向水面差反映了每個(gè)斷面的最大橫向水面差占水深平均值的百分比，比例越小表示水流流態(tài)越好。

從圖5可得，在13組數(shù)據(jù)中：方案3有7組最大橫向水面差最小，占53.8%；方案1和方案4各有1組最大橫向水面差最小，占7.7%；方案2有3組最大橫向水面差最小，占23.1%。由此說明，方案3對最大橫向水面差的改善效果最好。

從圖6可得，相對最大橫向水面差小于50%的數(shù)據(jù)中，方案1占1組、方案2占2組、方案3占3組、方案4占1組；相對最大橫向水面差小于30%的數(shù)據(jù)中，方案1占1組、方案3占1組、方案2、方案4占0組。

圖 5 斜檻群透水率組合方案的最大橫向水面差

圖 6 斜檻群透水率組合方案的相對最大橫向水面差

通過對比分析可得：(1)小透水率的最大橫向水面差好于大透水率情況；(2)透水率的改變不利于水流穩(wěn)定，故水面產(chǎn)生了較大改變，因而方案1相對于方案3的布置水面差略大。

2.2.4 水面差平均值水面差平均值是同一方案各橫斷面水面差的平均值，從整體反映了設(shè)置透水斜檻后對溢洪道彎道水面的改善情況。

從圖7中可得，在斜檻群高度相同、透水率組合不同的情況下，方案3彎道段水面差平均值最小，為15.0 mm，對水流流態(tài)的調(diào)整效果最好；方案4彎道段的水面差平均值最大，為22.2 mm，對水流流態(tài)的調(diào)整效果最差；方案1與方案2彎道段的水面差平均值相差不大，分別為17.5 mm、19.1 mm，對水流流態(tài)的調(diào)整效果較好。由此說明，方案3對水面差平均值的改善效果最好。

2.2.5 水面均勻度水面均勻度反映了溢洪道橫斷面各點(diǎn)水深的均勻情況。若水流絕對均勻，水面均勻度應(yīng)為100%，故該值越大表示水流過彎越均勻。

圖 7 斜檻群透水率組合方案的水面差平均值

圖 8 斜檻群透水率組合方案的水面均勻度

從圖8可以看出，水面均勻度大于85%的數(shù)據(jù)中，方案1占12組、方案2占12組、方案3占12組、方案4占10組；水面均勻度大于90%的數(shù)據(jù)中，方案1占8組、方案2占7組、方案3占9組、方案4占6組；水面均勻度大于95%的數(shù)據(jù)中，方案1占0組、方案2占1組、方案3占1組、方案4占1組。

通過對比分析可得：（1）小透水率的水面均勻度好于大透水率情況；（2）透水率的改變不利于水流穩(wěn)定，故液面產(chǎn)生了較大改變，因而方案1相對于方案3的布置水面均勻度略小。

2.3 正弦式、余弦式斜檻群對水流改善效果分析

在斜檻群透水率變化基本一樣的情況下，為分析斜檻群高度的影響，將方案5、6、7（表3）；方案8、9、10（表3）進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析，得到以下指標(biāo)和結(jié)論。

2.3.1 凹岸水面線將正弦式、余弦式斜檻群的凹岸水面線繪制成線，如圖9、10所示。

圖 9 正弦式斜檻群凹岸水面線

圖 10 余弦式斜檻群凹岸水面線

通過圖9可以看出，凹岸水面線大小與斜檻高度呈正相關(guān)。方案5具有最低的凹岸水面線，方案7具有最高的凹岸水面線。具體分析如下：（1）對比方案5、6、7，斜檻的高度越高，引發(fā)水面線壅高越明顯,因此方案7具有最高水面線。在彎道前部和中部，3組方案的水面波動(dòng)規(guī)律相近。（2）因泄槽邊墻的高度需在凹岸進(jìn)行加高，方案5具有最低水面線，說明斜檻高度較低時(shí)對凹岸水位調(diào)整作用好。

通過圖10可以看出，方案8具有最低的凹岸水面線，方案9具有最高的凹岸水面線。對比方案8、9、10，斜檻的高度較高，引發(fā)水面線壅高越明顯、且變化規(guī)律相同。

2.3.2 凸岸水面線相對于凹岸水面線，凸岸水面線在不同方案時(shí)的差別更明顯。正弦式、余弦式斜檻群的凸岸水面線沿程變化如圖11、12所示。

圖 11 正弦式斜檻群凸岸水面線

圖 12 余弦式斜檻群凸岸水面線

由圖11可以看出，方案5由于檻高在三者中最低，對凸岸水位的調(diào)整最小，因而其凸岸水面線最低，且容易引發(fā)波動(dòng)；方案7具有最高的檻高，對凸岸水位調(diào)整效果最明顯，且水面較為均勻；方案6具有中間檻高,調(diào)整效果居中。

由圖12可以看出，方案9和10的凸岸水面線具有相同變化規(guī)律；方案8由于檻高在三者中最低，對凸岸水位的調(diào)整最小，因而其凸岸水面線最低，且容易引發(fā)波動(dòng)；方案9具有較高的檻高，對凸岸水位調(diào)整效果最明顯，且水面較為均勻；方案10具有最高的檻高,調(diào)整效果居中。由此看出檻高時(shí)調(diào)整效果較好。

2.3.3 最大橫向水面差及相對最大橫向水面差最大橫向水面差及相對最大橫向水面差的指標(biāo)如圖13、14所示。

由圖13可得：方案5有0組最大橫向水面差最小，占0%；方案6有3組最大橫向水面差最小，占23.1%；方案7有10組最大橫向水面差最小，占76.9%。由此說明，正弦式斜檻群中方案7對最大橫向水面差的改善效果最好。方案8有0組最大橫向水面差最小，占0%；方案9有8組最大橫向水面差最小，占61.5%；方案10有4組最大橫向水面差最小，占30.8%。余弦式斜檻群中方案9對最大橫向水面差的改善效果最好。

圖 13 最大橫向水面差

圖 14 相對最大橫向水面差

由圖14可得：相對最大橫向水面差小于50%的數(shù)據(jù)中，方案5占1組、方案6占3組、方案7占4組、方案8占3組、方案9占3組、方案10占3組；相對最大橫向水面差小于30%的數(shù)據(jù)中，方案5占1組、方案6占1組、方案7占3組、方案8占0組、方案9占3組、方案10占3組。

對比方案5、6、7分析可得：高度的增加利于水流穩(wěn)定，斜檻高度越高，最大橫向水位差值越??；對比方案8、9、10分析可得：方案9相對最大橫向水面差的改善效果最好。

2.3.4 水面差平均值正弦式、余弦式斜檻群的水面差平均值指標(biāo)如圖15所示。

圖 15 水面差平均值

由圖15可知，在透水率相同、斜檻群高度不同的情況下，正弦式斜檻群中方案5斜檻群水面差平均值最大，為18.58 mm，對水流流態(tài)的調(diào)整效果相對最差。方案7斜檻群水面差平均值最小，為4.33 mm，對水流流態(tài)調(diào)整效果相對最好。

余弦式斜檻群中方案8斜檻群水面差平均值最大，為19.12 mm，對水流流態(tài)的調(diào)整效果最差；方案9斜檻群水面差平均值最小，為2.74 mm，對水流流態(tài)調(diào)整效果最好。

2.3.5 水面均勻度正弦式、余弦式斜檻群的水面均勻度指標(biāo)如圖16所示。

圖 16 水面均勻度

從圖16可以看出，正弦式斜檻群中水面均勻度大于90%的數(shù)據(jù)中，方案5占7組、方案6占9組、方案7占11組；大于95%的數(shù)據(jù)中，方案5占0組、方案6占8組、方案7占6組。

余弦式斜檻群中水面均勻度大于90%的數(shù)據(jù)中，方案8占7組、方案9占10組、方案10占10組；大于95%的數(shù)據(jù)中，方案8占1組、方案9占6組、方案10占5組。

通過對比分析可得：（1）斜檻群高度高的水面均勻度好于斜檻群高度低的情況；（2）高度低的斜檻群因壅水高度較低，凸岸水位不能得到有效提高，故水面差平均值低于檻高的斜檻群。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：（1）不同透水率斜檻群對水流改善有一定影響，在其他條件相同時(shí)，斜檻群的較小的透水率使彎道水流的均勻度更大一些。（2）透水率按位置不同的布置方式中，第一根斜檻的透水率大小對調(diào)整效果的影響最大，其調(diào)整效果與按照第一根斜檻的相同透水率布置效果基本相同。（3）從水面差平均值、水面均勻度來看正弦式斜檻群的布置形式調(diào)整效果優(yōu)于余弦式斜檻群的布置形式。（4）從最大水面差、水面差平均值、水面均勻度3個(gè)指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)：采用正弦式斜檻群的布置形式時(shí)，斜檻的高度越高，改善彎道水流的效果越顯著；當(dāng)采用余弦式斜檻群的布置形式時(shí)，斜檻過低過高對改善彎道水流的效果都不好。此外，斜檻群的組合方式多種多樣，若尋求最佳方案、還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

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The Influence of Different Water Permeabilities and Heights of Inclined Sill Group on Flow in Bend

ZHANG Jun-bo1, ZHANG Ying-chao2, ZHANG Jing2*, WANG Wen-kang2,TENG Xiao-min2

1.200092,2.271018,

In order to study the influence of the inclined sill group with different permeability combinations on the flow characteristics of the bend, a series of physical model tests were carried out in this paper. Based on the experimental data, the hydraulic indexes such as the maximum transverse water surface difference and the average water surface difference relative to the maximum transverse water surface difference were calculated and analyzed. The results show that the smaller the permeability of the inclined sill group is, the better the improvement effect of the water flow in the bend is. In sinusoidal sill group, the higher the height of the inclined sill is, the better the effect of improving the water flow in the curve will be from the perspective of the maximum horizontal water surface difference and average water surface difference. In cosine sill group, from the point of view of the maximum transverse water surface difference and the average water surface evenness of the water surface difference, too low and too high sill is not good for improving the water flow in curves.

Inclined sill group; permeability; height; influence

TV135

A

1000-2324(2021)01-0054-09

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.010

2019-09-01

2019-11-20

山東省自然科學(xué)基金青年基金(ZR2020QE286);天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(HESS-2008)

張峻博(1997-),男,碩士在讀,研究方向?yàn)樗呐c水資源工程. E-mail:1740082836@qq.com

Author for correspondence. E-mail:jing16@sdau.edu.cn