不同梯坎尺寸下溢洪道消能段相對(duì)流速與相對(duì)弗汝德數(shù)的關(guān)系

曲更龍

(重慶市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

不同梯坎尺寸下溢洪道消能段相對(duì)流速與相對(duì)弗汝德數(shù)的關(guān)系

曲更龍

(重慶市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

為準(zhǔn)確地反映梯坎尺寸變化對(duì)溢洪道消能段相對(duì)流速與相對(duì)弗汝德數(shù)關(guān)系規(guī)律的影響，選擇重慶柏葉口水電站溢洪道為研究對(duì)象，設(shè)置0.47 m、0.94 m、1.83 m、3.75 m、7.50 m五組不同梯坎高度的方案，并借助物理模型試驗(yàn)，將這五組方案依次反映至物理模型中，通過(guò)概化試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果顯示：非均勻流流態(tài)下相對(duì)流速和相對(duì)弗汝德數(shù)表現(xiàn)出良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.985～0.992；梯坎高度對(duì)相對(duì)流速和相對(duì)弗汝德數(shù)表現(xiàn)出的直線傾斜幅度幾乎沒(méi)有影響。

梯坎高度；相對(duì)弗汝德數(shù)；相對(duì)流速；物理模型試驗(yàn)

在現(xiàn)代水利溢洪道研究、建設(shè)中，梯坎式消能結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)水流產(chǎn)生多次連續(xù)旋滾或水躍，可以有效消耗水流能量，保證消能效率[1-3]。文獻(xiàn)[4]中提出了相對(duì)流速與相對(duì)弗汝德數(shù)的概念，并通過(guò)研究提出可以通過(guò)相對(duì)流速和相對(duì)弗汝德數(shù)來(lái)直接評(píng)價(jià)溢洪道的消能效率，并建議根據(jù)這兩個(gè)物理量來(lái)確定梯坎尺寸。 本文將以重慶市柏葉口水電站溢洪道為研究對(duì)象，通過(guò)大量物理模型試驗(yàn)研究來(lái)分析不同梯坎尺寸下溢洪道消能段相對(duì)流速與相對(duì)弗汝德數(shù)的關(guān)系。

1 相對(duì)流速與相對(duì)弗汝德數(shù)的定義

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，對(duì)某一梯坎溢洪道，建立與之對(duì)應(yīng)的光滑溢洪道，相對(duì)流速與相對(duì)弗汝德數(shù)即為光滑溢洪道流速(弗汝德數(shù))與實(shí)際溢洪道流速(弗汝德數(shù))之差。根據(jù)該定義，相對(duì)流速的定義式為：

ΔV=V光-V實(shí)

(1)

相對(duì)弗汝德數(shù)的定義式為：

ΔFr=Fr光-Fr實(shí)

(2)

2 工程概況及試驗(yàn)方案

2.1 工程概況

重慶柏葉口水電站位于重慶市忠縣南官河，地處重慶市東北部，川東平行嶺谷區(qū)至大巴山的過(guò)渡地帶。水電站上距大中子水文站62.7 km，下離珊瑚村11.7 km。工程河段控制流域面積約227.6 km2，年均徑流量約0.75億 m3，設(shè)計(jì)洪水位(根據(jù)水電樞紐等級(jí)取2%)為680.0 m，正常蓄水位為674.9 m。該水電站按照建筑物性質(zhì)可分為攔河壩、取水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道和廠區(qū)建筑物。

表1 柏葉口水電站水庫(kù)調(diào)洪成果表

2.2 工程方案

柏葉口水電站主體范圍包括了庫(kù)區(qū)、上游壩體、溢洪道、下游消力池，全長(zhǎng)650 m(從溢0+000～溢0+648.22)，高差107.33 m，其中，原方案梯坎段(從溢0+425.3～溢0+547.22)長(zhǎng)121.92 m，高75.0 m(從652.64 m降至577.64 m)共布置有41級(jí)梯坎，各級(jí)梯坎長(zhǎng)、寬不盡一致，平均每級(jí)梯坎高1.83 m。

2.3 試驗(yàn)方案處理

2.3.1 概化模型設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證本工程設(shè)計(jì)效果，擬建立概化物理模型進(jìn)行試驗(yàn)研究、分析。本次水工模型試驗(yàn)采用長(zhǎng)寬高均為1∶50的正態(tài)模型；根據(jù)換算，流速比尺為1∶7.1；流量比尺為1∶17.7；糙率比尺為1∶1.92[5-7]。其中壩體上游庫(kù)區(qū)和溢洪道下游河段采用斷面板法用水泥砂漿刮制而成，溢洪道整體(進(jìn)口段、閘室段、收縮段、順直段、彎曲段、階梯段、消力池段)采用有機(jī)玻璃加工拼裝[8-9]。

2.3.2 試驗(yàn)方案

本模型擬采用對(duì)比試驗(yàn)，即在其他條件不變的情況下，分析不同梯坎尺寸下溢洪道消能段相對(duì)流速與相對(duì)弗汝德數(shù)的關(guān)系。以原方案為基礎(chǔ)方案，增加四組對(duì)比試驗(yàn)，即梯坎高度分別為原方案0.25倍、0.5倍、2倍、4倍。將試驗(yàn)安排列于表2。

表2 柏葉口水電站物理模型試驗(yàn)安排

3 試驗(yàn)效果及分析

根據(jù)各組試驗(yàn)布置，依次進(jìn)行模型制作，并在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行放水試驗(yàn)。由于篇幅有限，將試驗(yàn)序號(hào)3下的試驗(yàn)效果繪于圖1。圖1中設(shè)置在梯坎段底部的壓力管用于實(shí)時(shí)測(cè)量梯坎段底部的脈動(dòng)壓力值。

圖1 柏葉口水電站溢洪道試驗(yàn)3流態(tài)效果圖

將各組工況(不同梯坎高度)下，相對(duì)流速與相對(duì)弗汝德數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系繪于圖2。從圖2中可看出：

(1)在不同梯坎尺寸情況下，相對(duì)流速與相對(duì)弗汝德數(shù)仍表現(xiàn)為極好的線性關(guān)系，各組試驗(yàn)下，二者的線性相關(guān)系數(shù)在0.985～0.992之間。

(2)圖2中最大、最小斜率分別為2.25和2.17，表明5條直線的斜率隨梯坎高度變化無(wú)明顯改變，梯坎尺寸對(duì)相對(duì)流速和相對(duì)弗汝德數(shù)表現(xiàn)的直線傾斜幅度無(wú)明顯作用。

(3)根據(jù)梯坎式溢洪道相對(duì)流速和相對(duì)弗汝德數(shù)的物理意義可知，相同坡度、同一單寬流量、同一相對(duì)弗汝德數(shù)下梯坎尺寸對(duì)水流流速幾乎不造成損失。

圖2 不同梯坎高度下相對(duì)流速與弗汝德數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié) 論

研究表明， 變化梯坎尺寸，梯坎式溢洪道相對(duì)流速和相對(duì)弗汝德數(shù)表現(xiàn)出的直線關(guān)系所對(duì)應(yīng)斜率幾乎不隨梯坎尺寸變化而改變，說(shuō)明同坡度、同單寬流量、相同相對(duì)弗汝德數(shù)下梯坎部分對(duì)水流造成的流速損失幾乎不受梯坎尺寸的影響。梯坎式溢洪道是在光滑溢洪道基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，將梯坎式溢洪道的水力參數(shù)和對(duì)應(yīng)光滑溢洪道的水力參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，可反映出梯坎部分獨(dú)特的水力特性。研究結(jié)論可為梯坎式溢洪道設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

[1] 田嘉寧, 大津巖夫, 李建中,等. 臺(tái)階式溢洪道各流況的消能特性[J]. 水利學(xué)報(bào), 2003(4):35-39.

[2] 姜伯樂(lè)，楊文俊，張暉．三峽工程表孔空化問(wèn)題試驗(yàn)研究與原型驗(yàn)證[J]．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009，28(6)：71-74．

[3] 王世夏．水工設(shè)計(jì)的理論和方法[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2000．

[4] Felder S，chanson H. Energy dissipation down a stepped spillways with nonunifornl step heights[J].Journal of HydrauIic Engineering，2011,137(11):1543-1548.

[5] 吳憲生.梯坎溢流壩下的流速探討[J]．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2001(2)：73-75．

[6] 張昌平.河工模型測(cè)量[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

[7] 陳群，戴光清，劉浩吾．階梯溢流壩面流場(chǎng)的紊流數(shù)值模擬[J]．天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2002，35(1)：23-27．

[8] 李建中，寧利中．高速水力學(xué)[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1994．

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The relationship between relative flow velocity and relative Froude number of the spillway dissipation segment in different terraced sizes

QU Genglong

(ChongqingSurvey&DesignResearchInstituteForWaterResourcesAndHydropower,Chongqing401120，China)

To confirm accurately the relationship between the relative velocity and Froude number which is influenced on different terraced sizes of the spillway dissipation segment, in this paper the Chongqing baiyekou hydropower engineering was taken a test example and the physical generalization model experiment was adopted to analyze 5 different terraced sizes that was respectively 0.47 m, 0.94 m, 1.83 m, 3.75 m and 7.50 m. The conclusion showed that the relative flow velocity in the non-uniform flow regime had a good linear relationship with the relative Froude number, and its correlation coefficient was as high as 0.985～0.992. The height of the ladder had little effect on the straight line inclination of between the relative velocity and the relative Froude number.

height of ladder; relative Froude number; relative flow velocity; physical model test

曲更龍(1988-)，男，遼寧大連人，助理工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)相關(guān)工作。E-mail: 1063469178@qq.com。

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