淺析高水頭泄洪底孔水力學研究方法適宜性

【摘要】在水力學發展的過程中，各種研究方法的不斷出現，為相關問題的有效解決提供了可靠地保障。由于不同方法的側重點有所差異，最終得出的數據信息也存在著一定的區別。在對高水頭泄洪底孔功能特性的分析中，需要構建科學的參考模型，在三維空間內運用信息化技術手段對水力學問題進行模擬，確定不同研究方法的適宜范圍。參考模型中原型水面波動將會加快水舌擴散的速度，可以為水力學問題最佳研究方法的確定提供可靠的參考依據。

【關鍵詞】水力學；研究方法；高水頭泄洪底孔；適宜范圍；參考模型

在橡膠壩工程施工和使用的過程中，存在著一系列的有關水建筑物水力學問題。在對這些問題研究的過程中，可以通過選擇可靠的物理參考模型試驗進行必要地模擬，從而判斷出泄水建筑物摻氣減蝕、流激振動、泄洪霧化等問題可能造成的影響，為不同生產設備的正常工作提供了可靠地保障。

一、主要的研究對象和方法

在對某橡膠壩泄洪功能的分析過程中，可以發現不同的結構在實際的應用中發揮著重要的保障作用。該橡膠壩的泄洪底孔主要有壓洞段、泄槽明流段、庫區等結構組成。為了增強橡膠壩的泄洪效果，泄槽明流段主要采用了3道摻氣坎，并將相關的進口底板高程設置在了合理的范圍內。這種底板的高程較大，對應的工作弧門尺寸的高度為8m，寬度設置為5m。通過運用相關技術手段的分析，可知該橡膠壩的泄洪水頭效果良好，水庫的水位保持在了一定的范圍內。

試驗過程中主要采用的研究方法是構建物理模型，進而對整個工程的工況進行有效地觀測和模擬，確定出最佳的水力學參數。由于水力學的問題對于工程的影響非常大，可以采用常規量測技術獲取對應的參數，合理使用人工水尺確定觀測過程中最佳的水面線。為了保證測量數據的真實有效性，試驗過程中可以采用脈動壓力傳感器，并用功能特性顯著的底流速儀測出橡膠壩正常工作時測量區域水的流速。

二、試驗過程中觀測及模擬結果的對比分析

（一）試驗過程中的流態

在對橡膠壩進口水面的研究過程中，可以采用物理模型試驗的方法對相關的水力學問題進行有效地分析。試驗開展中也需要用到數值模擬的方法，主要是為了更好地觀察進口水面的動態變化性。試驗中發現模型設置的區域整個的水體顏色發生了明顯的變化，主要呈乳白色形狀，且主要集中在對應明流段水面上。這種變化產生的原因主要是試驗區水面出現了自摻氣現象。通過與原型明流段水面的對比，發現該區域水面波動和跳動的程度非常劇烈。同時，摻氣坎作用下的水面有了明顯的抬升現象，水體的流態發生了顯著的變化。試驗中的原型和模型如圖1（a）和（b）所示。

通過建立可靠的物理參考模型，可以對橡膠壩試驗中的進口流態進行觀測。在對原型和模型的對比分析中，可以發現摻氣坎作用下的水面整體的流態變得更加清晰，客觀地說明了試驗模型中泄槽水面存在著自摻氣狀態、水面跳躍等常見的流態現象。這種觀測方法只是針對水力學宏觀的流態變化，對于水力學微觀領域相關問題的研究，采用物理模型試驗的作用效果一般。

（二）試驗中的流速

試驗中構建可靠的物理模型后，在數值模擬方法的作用下，可以對壓洞室的水流進行必要地研究。由于試驗中存在著摻氣坎，水流過這里時將會出現上揚的現象，水流表層的流速非常大，經過泄槽底的流速明顯較小，水流的整體態勢較為緩慢。試驗進行中發現水面紊動程度劇烈，對于試驗區的流速影響很大。隨著原型流態跳躍程度的加深，流速的變化范圍逐漸擴大，出現了水體濺出邊墻的現象。

（三）試驗中的水面線

試驗中高水頭泄洪底孔水面線對于水力學問題的研究有著重要的參考價值。為了簡化試驗中的工作流程，可以將不同樁號水面波動的最大高程作為試驗模型與原型的主要研究內容，通過數值模擬法計算出對應的水面高程。試驗中發現當水面波動幅度較大時，水面線會發生一定的變化。某些試驗區的水流會濺出邊墻，影響觀測效果。因此，選擇最佳的試驗區非常重要。在數值計算法分析的過程中，可知當試驗區的水面線呈現連續的狀態時，水面的高程將會降低。某些數據與理論值有所偏差，主要在于模型構建中未考慮摻氣現象的影響。

（四）試驗中的壓力特性和摻氣空腔

運用物理模型和數值模擬分析法的作用，可以對高水頭泄洪底孔水力學問題進行深入地分析。其中，水流的壓力特性對于試驗數據的影響非常大。通過數字模擬分析法的作用，可知試驗中帶摻氣坎小的區域壓力較小，水面波動變化幅度小。同時，數值模擬對于流線變化范圍較大時測出的壓力數值大小都比原型中的數據偏小，客觀地說明了摻氣坎的存在對于試驗結果的影響。在對摻氣空腔研究的過程中，原型觀測、模型試驗及數值模擬計算結果的吻合性良好，摻氣空腔的尺寸規格大小對于試驗數據的影響非常明顯。當這種裝置的尺寸較大時，對應的邊界變化非常明顯。這種狀態下數值模擬取得的成果與原型壓力特性高度相似。

結束語：

在對橡膠壩高水頭泄洪底孔水力學研究的過程中，不同的研究方法產生的數據差異性較大，客觀地說明了最佳適宜性研究方法的重要性。在對高水頭泄洪底孔水力學問題分析時，通過水力學原型的觀測作用，可以對試驗中的數據信息做出全面地評估，進而增強泄水建筑物的實際作用效果。文中通過對相關試驗現象的分析，反映了水力學問題對于高龍頭泄洪底孔造成的影響。

參考文獻：

[1]章晉雄.高水頭平面事故閘門動水關閉水動力特性及門槽水力特性研究[D].中國水利水電科學研究院，2013，（06）

[2]常銀兵.泄洪洞摻氣設施水力特性及體型優化研究[D].長江科學院，2013，（02）.