單級跌水中舌形坎消能效果試驗研究

游丹丹

(西華大學能源與動力工程學院 四川 成都 610039)

單級跌水中舌形坎消能效果試驗研究

游丹丹

(西華大學能源與動力工程學院 四川 成都 610039)

為了探索單級跌水中舌形坎的消能效果。針對單級跌水水流特點，利用有機玻璃制作了含有3組不同弧線長度的舌形坎單級跌水水工模型，并在不同流量和不同跌坎高度下進行多組對照試驗研究。試驗結果表明設置舌形坎是減小下游水流速度的一種可行方法。試驗還得到了不同弧線長度舌形坎在不同流量，不同跌坎高度下的消能規律，提供了在不同流量和不同跌坎高度下，舌形坎的選擇建議。該試驗結果可以為單級跌水的跌舌布置和設計提供依據。

單級跌水；舌形坎；流量；跌坎高度；消能效果

一、引言

單級跌水廣泛存在于許多水利工程中[1]，其設置功能在工程應用上以消能和減緩流速為主，除此之外，其在輸水位置調節、農田水利、充氧等方面也發揮著重要的作用。尤其對于渠道工程，常作為集中落差的水工建筑物。由于其流量較小，短時間破壞不明顯，但其作用時間長，長期破壞性較大。例如：四川馬蹄灘溢流壩下游由于多年跌水的存在，致使消力壩被掏空，造成垮塌。因此，研究跌水消能規律對于減小水流對下游長期沖刷造成的破壞,提高水工建筑物壽命，保證工程長時間安全運行具有重要的實際價值。

關于跌水的研究現狀，劉沛清等[2]、孫建等[3]以及英國的郭亞昆[4]對跌水流態進行了深入的研究；但是目前對于跌水消能效果和消能規律的研究卻相對較少，因此限制了對跌水消能特性的進一步認識。

本文嘗試在跌坎處拼接大小不同的舌形坎，在不同流量和不同跌坎高度下進行水工模型試驗，上游河道模型水槽中的水流通過跌坎，落入下游河道后，會形成水躍，通過對下游平均水深的測量，計算出各舌形坎在不同流量和不同跌坎高度下的下游平均流度和水躍消能系數，以進一步研究不同舌形坎作用下的消能規律，有利于舌形坎在實際工程中的應用。

二、水工模型試驗

該水工模型試驗在西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室完成。單級跌水適用于跌坎高度為3—5m的水利工程[5]，模型應該以原型尺寸按比尺縮小。根據模型試驗的目的和要求，本模型以重力相似準則設計，模型幾何比例尺為λL=λH=20。因此模型總長2.5m，模型沿水流方向由上游河道模型水槽，下游河道模型水槽和帶直角三角堰水槽三部分組成。上游河道模型水槽總長1m，前端設有一個長40cm，寬30cm,高20cm的溢流式水箱，用于減小管道水流脈動對試驗造成的影響，上游河道部分長60cm，寬10cm，高20cm；下游河道模型水槽長90cm，寬20cm，高10cm；帶直角三角堰水槽長60cm，寬24cm，高20cm，在頂部設有一底寬20cm，高10cm的直角三角堰；整個水工模型均采用有機玻璃制作。試驗模型示意圖見圖1。

圖1 試驗模型示意圖

本試驗采用不同半徑的舌形坎，在不同流量和不同跌坎高度下，通過對下游河道模型水槽距離出口處10cm處的下游水深的測量，來探求單級跌水圓弧形跌舌的消能規律。因此，本試驗設置了3組舌形坎，為了便于敘述，3組舌形坎編號為1#、2#、3#，舌形坎示意圖見圖2；對應的舌形坎弧線長度依次為11.1cm，11.8cm和15.7cm。流量大小由模型最后一段的直角三角堰測得，選取下游河道模型水槽發生水躍較為穩定的流量，對應的直角三角堰高度分別為2.5cm，2.75cm和3cm。跌坎高度從15cm到25cm，以1cm為間隔，共計11組跌坎高度。為了提高試驗準確性，同一舌形坎，同一流量，同一高度下的下游平均水深測量5次，結果取平均值。試驗過程中，三段水槽床面縱向坡降和橫向坡降均為0。

圖2 舌形坎示意圖

三、試驗結果與分析

(一)跌落水流形態。對于無舌形坎的情況，跌落水流水層較厚，橫向收縮很弱，單寬流量較為分散[6]。

在同一流量下，水流分別沿1#，2#，3#舌形坎下跌時，順水流方向的弧線長度逐步增大，水流在舌形坎上擴散逐漸增大，跌落水流水層逐漸變薄。由于跌水水流和流速都相對較小，在下跌過程中橫向收縮較為明顯，且跌坎高度越大，水流橫向收縮越大，以至于在入水時形成一股較厚的水柱砸入下游河道模型。

隨著流量的增大，水流橫向收縮幅度變小，但此時兩側增大的流量在跌落時的收縮會對中間的水流有一個橫向的擠壓，導致兩側的水舌流速大于中間部分的水舌流速，流態不均勻，使得水舌接觸到下游河道模型時，會產生部分反彈水花。

(二)下游平均流速。下游平均流速v由實驗測得的下游水深經下式計算得到：

(1)

式中，Q為流量；b為下游河道水槽模型寬，0.2cm；h為下游水深。

流量Q由直角三角堰測得，本試驗采用《水工(常規)模型試驗規程》[7]中經標準地秤校正后的擬合經驗公式來進行直角三角堰流量計算。公式如下：

Q=1.33H2.453

(2)

式中，H為直角三角堰高度，試驗所選取的3組高度，2.5cm，2.75cm和3cm經(2)可得分別為：0.156L/s，0.197L/s和0.244L/s。

聯立(1)和(2)，可得下游平均流速。

圖3為下游平均流速對比圖，是根據試驗所測的下游水深計算出的3組不同流量下，3組舌形坎和無舌形坎共4組類型在不同跌坎高度下的下游平均流速。從圖3可以看到，在同一流量大小下，無舌形坎設置時的下游平均流速均大于有舌形坎存在時的下游平均流速，這說明舌形坎的設置可以有效減小下游的平均速度。

圖3 下游平均流速對比圖

(三)消能效率

水流經舌形坎跌落至下游河道模型水槽后，從急流過渡到緩流，形成了水躍，且水躍是單級跌水有效的消能方式之一。因此，探求舌形坎水躍消能效率可以對其消能效果進行一個較好的評價。

由于本跌坎高度和流量均為實驗的控制變量，因此多組實驗結果形成的水躍類型不是唯一的，為了方便計算和討論，本實驗均將水躍形式當做臨界水躍處理，因此下游水深h與躍后水深h2相等[8]。

水躍的消能效率用水躍消能系數Kj表示，對于平底矩形的河道：

(3)

式中，Fr1為躍前斷面的弗勞德數。

(4)

式中，h1為躍前水深。

(5)

式中，Fr2為躍后斷面的弗勞德數。

(6)

本文聯立式(3)～(6)可以計算出水躍消能系數Kj，計算結果如圖4消能效果對比圖所示。從圖4中可以看到，舌形坎的設置，能明顯提高跌水的消能效率；隨著流量的增大，3組舌形坎整體的消能效率均出現下降，這是正是由于流量的增加，水舌兩側水流向中間收縮擠壓，使水舌碰撞下游河道底部產生的水花破壞了水躍，從而整體消能效率下降。

通過比較可見，在同一流量大小下，隨著跌坎高度的增加，水躍消能系數Kj都呈現先增加后減小的規律；在小流量的情況下(a)，4組跌坎形成的水躍大部分處于不穩定消能區，少部分處于穩定水躍區，此時弧線長度大的3#舌形坎消能效果最好；而隨著流量的增加(b、c)，4組跌坎形成的水躍幾乎全部處于弱水躍區，此時弧線長度小的1#舌形坎的消能效率最好。

圖4 消能效果對比圖

四、結 論

(1)通過水工模型試驗后，經計算發現舌形坎的設置，可以降低下游平均流速；舌形坎整體的消能效果隨流量的增大而減小；消能效果隨跌坎高度的增加而出現先增大后減小的規律；弧線長度大的舌形坎在小流量下消能效果最好，但在流量增大后，弧線長度小的舌形坎消能效果最好。

(2)該研究結果可以為中小型水利工程中的單級跌水跌舌的布置和設計提供依據。

[1]姜寶林，王世榮.我國跌水工程發展綜述[J].黑龍江大學工程學報，2010，37(z1)：78-83.

[2]劉沛清，高季章，李永梅.高壩下游水墊塘內淹沒沖擊射流試驗[J].中國科學，1998,28(4):370-377.

[3]孫建，李玉柱，于常昭.多股挑、跌流水舌作用下基巖沖刷平衡深度[J].清華大學學報,2002,42(2):266-269.

[4]Yakun Guo.Numerical Modeling of Free Overfall[J].Journal of HydraulicEngineering,2005,131(2):134-138.

[5]劉韓生，花立峰，紀志強等.跌水與陡坡[M].北京.中國水利水電出版社，2004.

[6]朱雅琴，張法星，許唯臨.舌形挑流鼻坎水力特性研究[J].科學技術與工程，2004,4(5):397-402.

[7]南京水利科學研究院.水工(常規)模型試驗規程(SL155-95)[S].北京：中國水利水電出版社，1995.

[8]李家星，趙振新.水力學[M].南京：河海大學出版社，2001.

游丹丹(1989-)，女，碩士研究生，研究方向：流體動力機械內部流動(含多相流)理論。