高水頭泄水建筑物側(cè)墻突擴(kuò)側(cè)空腔水力特性研究

王海云，戴光清，楊 慶

（1.四川大唐國(guó)際甘孜水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 康定 626001；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

0 引言

隨著大壩水頭的增高，流速增大，高速水流問(wèn)題越來(lái)越突出，明流泄洪洞反弧段后側(cè)墻減蝕問(wèn)題是目前摻氣減蝕研究中一個(gè)新課題。文獻(xiàn)[1～8]對(duì)弧形閘門(mén)后有壓出流情況下，水流突擴(kuò)突跌摻氣水力特性進(jìn)行了較多的研究。文獻(xiàn)[9～13]結(jié)合工程實(shí)例通過(guò)大比尺模型試驗(yàn)研究，對(duì)龍?zhí)ь^明流泄洪洞反弧段下游側(cè)墻的摻氣減蝕進(jìn)行了研究，提出在反弧末端采用側(cè)墻突縮和底部突跌的摻氣方案；指出側(cè)墻貼角出口寬度的變化對(duì)下游水流流態(tài)的影響十分明顯；得出側(cè)空腔長(zhǎng)度不宜超過(guò)底空腔的設(shè)計(jì)原則。文獻(xiàn)[14]采用模型試驗(yàn)和三維紊流數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)底部跌坎和側(cè)墻貼角組合摻氣坎空腔長(zhǎng)度的研究表明：側(cè)墻摻氣坎空腔長(zhǎng)度不僅與側(cè)墻摻氣坎的體形尺寸有關(guān)，還與底部摻氣坎的體形尺寸有很大關(guān)系。側(cè)空腔的特性較底空腔復(fù)雜，其影響因素和成因也不同，本文在前期研究工作的基礎(chǔ)上，對(duì)側(cè)墻突擴(kuò)和底部突跌聯(lián)合摻氣情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，進(jìn)一步探討側(cè)空腔的影響因素和規(guī)律。

1 模型試驗(yàn)研究

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒄諊?guó)內(nèi)某已建大型龍?zhí)ь^明流泄洪洞，模型幾何比尺為1∶30，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型泄洪洞由進(jìn)水口段、龍?zhí)ь^段、直坡段組成。龍?zhí)ь^反弧段半徑為333.33 cm，直坡段坡度為7.9%，進(jìn)口閘門(mén)以后為明流，泄洪洞洞身橫斷面為等寬城門(mén)洞形，典型斷面尺寸為43.3 cm×45.0 cm（寬×高）。試驗(yàn)條件為：模型最大流量0.76 m3/s，相應(yīng)的單寬流量為1.744 m3/（s·m）；反弧末端摻氣坎前來(lái)流平均流速4～8 m/s，來(lái)流最大水深0.3 m。

試驗(yàn)對(duì)反弧末端設(shè)置底部突跌和側(cè)墻突擴(kuò)的方案進(jìn)行研究，突擴(kuò)出口為等寬形式，體形示意見(jiàn)圖1。文獻(xiàn)[9]指出反弧末端跌坎下游邊墻突擴(kuò)的側(cè)空腔是由水流自由擴(kuò)散至邊墻形成的，其出坎水流未受到類(lèi)似側(cè)墻貼角的擠壓作用，水流在前進(jìn)過(guò)程中不會(huì)先向內(nèi)部收縮，而是直接向兩側(cè)邊墻擴(kuò)散形成側(cè)空腔。文獻(xiàn)[15]對(duì)泄水建筑物側(cè)墻突縮側(cè)空腔水力特性進(jìn)行研究，提出在不同的跌坎高度下，其底部空腔長(zhǎng)度不同，水舌落水區(qū)域的壓力分布也就不同，底板壓力分布的變化也對(duì)出射水舌橫向擴(kuò)散能力有明顯作用，進(jìn)而影響側(cè)空腔長(zhǎng)度。由此可見(jiàn)，跌坎高度對(duì)側(cè)空腔長(zhǎng)度有明顯影響，本文試驗(yàn)擬在跌坎高度一定條件下，重點(diǎn)研究側(cè)墻突擴(kuò)寬度、摻氣坎后突擴(kuò)水平長(zhǎng)度以及底板落水區(qū)域的壓力分布對(duì)側(cè)空腔長(zhǎng)度的影響，其中實(shí)測(cè)的空腔長(zhǎng)度為目測(cè)水氣交界線。

圖1 側(cè)墻突擴(kuò)試驗(yàn)方案體形示意

1.1 突擴(kuò)寬度對(duì)側(cè)空腔特性的影響

首先研究在跌坎體形尺寸一定的條件下，突擴(kuò)寬度尺寸變化對(duì)側(cè)空腔特性的影響，3種試驗(yàn)方案?jìng)?cè)空腔長(zhǎng)度實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。來(lái)流單寬流量為1.744 m3/（s·m）時(shí)，不同突擴(kuò)寬度，實(shí)測(cè)底部落水區(qū)域的壓力分布見(jiàn)圖2，方案一和方案二摻氣坎后實(shí)測(cè)側(cè)墻壓力分布見(jiàn)圖3。從表1可知，當(dāng)來(lái)流流量一定時(shí)，反弧段后側(cè)墻近壁沒(méi)有清水區(qū)，側(cè)空腔長(zhǎng)度隨突擴(kuò)寬度的增大而增加；當(dāng)突擴(kuò)寬度一定時(shí)，側(cè)空腔長(zhǎng)度隨著來(lái)流量的增加而減小。從圖2、3可以看出，不同突擴(kuò)寬度下水舌落水區(qū)域壓力分布基本沒(méi)有變化，側(cè)墻上的壓力分布規(guī)律和峰值變化也較小，因此，說(shuō)明其空腔長(zhǎng)度主要與突擴(kuò)寬度有關(guān)。

表1 側(cè)墻突擴(kuò)3種試驗(yàn)方案?jìng)?cè)空腔長(zhǎng)度實(shí)測(cè)結(jié)果

圖2 不同突擴(kuò)寬度時(shí)摻氣坎后底板軸線壓力分布

圖3 摻氣坎后實(shí)測(cè)側(cè)墻壓力分布（單位：kPa）

1.2 突擴(kuò)水平長(zhǎng)度對(duì)側(cè)空腔特性的影響

表2為單寬流量為1.744 m3/（s·m）時(shí)，在不同突擴(kuò)長(zhǎng)度下的側(cè)空腔長(zhǎng)度。圖4為實(shí)測(cè)底部落水區(qū)域的壓力分布，圖5為方案四和方案五摻氣坎后實(shí)測(cè)側(cè)墻壓力分布。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同突擴(kuò)寬度下，底部和側(cè)墻的壓力分布規(guī)律和峰值變化相同；當(dāng)突擴(kuò)寬度和跌坎高度一定時(shí)，突擴(kuò)長(zhǎng)度對(duì)側(cè)空腔長(zhǎng)度的影響較小。其原因是在相同的來(lái)流條件下，水流經(jīng)過(guò)摻氣坎后，沒(méi)有任何附加作用力，四面凌空自由擴(kuò)散，在側(cè)墻上的落水位置主要取決于水舌的橫向擴(kuò)散能力和底部的壓力分布。

表2 不同的突擴(kuò)長(zhǎng)度下側(cè)空腔長(zhǎng)度

圖4 不同突擴(kuò)長(zhǎng)度時(shí)摻氣坎后底板軸線壓力分布

圖5 摻氣坎后實(shí)測(cè)側(cè)墻壓力分布（單位：kPa）

1.3 來(lái)流量對(duì)側(cè)空腔特性的影響

表3為不同單寬流量時(shí)，在突擴(kuò)寬度、摻氣坎后突擴(kuò)水平長(zhǎng)度和跌坎高度一定的條件下，實(shí)測(cè)底空腔和側(cè)空腔長(zhǎng)度值。結(jié)果表明，相對(duì)底空腔而言，側(cè)空腔長(zhǎng)度要偏小；隨著來(lái)流流量的增大，側(cè)空腔長(zhǎng)度明顯減小，底空腔也有一定減小，且側(cè)空腔減小的百分比較底空腔大。究其原因?yàn)椋寒?dāng)來(lái)流單寬流量增大，來(lái)流的流速增加，底板上的沖擊壓力增大，底空腔長(zhǎng)度減小；受底板上沖擊壓力的增大，加上水流的佛氏數(shù)減小，出坎水舌橫向擴(kuò)散能力加大，導(dǎo)致了側(cè)空腔長(zhǎng)度的減小。

圖6為不同來(lái)流單寬流量下，實(shí)測(cè)底部落水區(qū)域的壓力分布，其中，工況A、B分別代表單寬流量為1.465、1.744 m3/（s·m）兩種情況，圖6表明，隨著來(lái)流流量的增加底部軸線的壓力也增加。圖7為對(duì)應(yīng)的側(cè)墻壓力分布，從圖7可以看出，隨著來(lái)流流量的增加，側(cè)墻的壓力值也呈增加趨勢(shì)；由于側(cè)墻壓力值的增加引起了側(cè)空腔長(zhǎng)度的減小。

表3 不同單寬流量下的底空腔和側(cè)空腔長(zhǎng)度

因此，底板上的沖擊壓力對(duì)水舌的橫向擴(kuò)散能力有顯著影響，沖擊壓力是影響側(cè)空腔形成的內(nèi)因。

圖6 不同來(lái)流單寬流量時(shí)摻氣坎后底板軸線壓力分布

圖7 摻氣坎后實(shí)測(cè)側(cè)墻壓力分布（單位：kPa）

2 結(jié)語(yǔ)

射流空腔長(zhǎng)度是衡量摻氣坎水力特性的重要參數(shù)，其大小直接影響摻氣坎下游的摻氣效果，側(cè)空腔長(zhǎng)度是保證下游側(cè)墻摻氣效果的重要參數(shù)。當(dāng)泄水建筑物采用側(cè)墻突擴(kuò)和底部突跌的聯(lián)合摻氣形式時(shí)，通過(guò)對(duì)突擴(kuò)寬度、突擴(kuò)長(zhǎng)度和來(lái)流流量 （用來(lái)流佛氏數(shù)表示）進(jìn)行試驗(yàn)得出，突擴(kuò)寬度和來(lái)流佛氏數(shù)是側(cè)空腔形成的影響因素，這是因?yàn)樗鹘?jīng)過(guò)摻氣坎后，在側(cè)墻上的落水位置主要取決于水舌的橫向擴(kuò)散能力和底部的壓力分布，底板上的沖擊壓力對(duì)水舌的橫向擴(kuò)散能力有顯著影響，沖擊壓力是影響側(cè)空腔形成的內(nèi)因。

結(jié)合文獻(xiàn)[14]的研究成果可以初步得出，對(duì)側(cè)墻突擴(kuò)摻氣坎形式而言，影響側(cè)空腔長(zhǎng)度的主要因素有跌坎高度、突擴(kuò)寬度和來(lái)流佛氏數(shù)。

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