山區泄水建筑物斜向進水消力井直徑優化研究

張必師，邱 勇，羅云紅，李生蘊，段勝禹

(云南農業大學水利學院，云南 昆明 650201)

1 概述

消力井作為一種新型內消能工，具有體型簡單、消能率高、地形適應性強等優點。但由于消力井內水流紊動劇烈，底板受下泄水流沖擊作用強烈，易導致底板結構破壞，在實際工程中的應用受到了制約。文獻[1]通過對豎井溢洪道體型優化研究，分析了豎井體型變化對水流流態及各種水力參數的影響，提出了消力井的合理設計尺寸；文獻[2]根據水工模型試驗，重點分析了消能井直徑變化對消能井內各水力參數的影響，給出了消能井的合理直徑建議值；侍克斌[3]等人通過模型試驗研究，得出消力井水力設計基本方法。但上述研究成果都是針對豎向進水口的消力井，無法直接應用于山區泄水建筑物泄槽斜向進水口消力井設計。

2 試驗方案

消力井進口接底坡i=1∶1.5的泄槽(B=0.15m)，內直徑0.58m，出口尾水渠和泄槽軸線呈正交布置，底板高程0.50m(與泄槽末端高程一致)，坡度i=0，寬度0.25m，如圖1所示。

圖1 消力井體型示意圖(單位：mm)

3 試驗成果分析

消力井底板中心布設測點0；在井徑D=0.15m(1B)圓周上等角度布設8個測點(相距45°)，編號依次為1-1、1-2…1-7、1-8；井徑D=0.30m(2B)圓周上同樣方式布設8個測點：2-1、2-2…2-7、2-8；井徑D=0.45m(3B)圓周上測點編號為3-1、3-2…3-7、3-8。底板一共布置25個測點，如圖2所示。

圖2 井底板壓強測點

3.1 消力井水流結構分區

根據消力井內水流流態，沿射流軸線方向，將消力井內水流結構劃分為：沖擊區、上附壁射流區、下附壁射流區和底部潛流區，如圖3所示。

圖3 消力井水流結構分區

沖擊區：入射水流進入消力井，在上部水體作用下，水股出現向下偏折，沖擊到消力井邊壁后，形成向四周擴散的附壁射流。

上附壁射流：射流沖擊到消力井邊壁，向上形成附壁射流，并在消力井表面形成明顯的水突和表面旋滾。

下附壁射流：射流沖擊到消力井邊壁，大部分水體沿井壁向下形成附壁射流。

底部潛流：向下的附壁射流，遇到底板后，方向發生偏轉，呈沿底板的潛流，在潛流和入射水股之間形成翻卷的下部旋滾。

3.2 底板動水壓強分析

3.2.1 動水壓強時均值

入射水流在井底板產生的動水總壓強包括時均壓強和脈動壓強，時均壓強可以更好地反映消力井底板整體平均受力情況。根據試驗，得到射流方向底板壓強時均值見表1。

表1 射流方向底板時均壓強分布 單位：kPa

由表1可以看出：不管流量大小，底板時均壓強值在消力井底板中心處均為最小，沿半徑由內向外時均壓強逐漸增大；近泄槽末端消力井中心上游側的壓強變化幅度小于靠射流沖擊區消力井中心下游側；受沖擊區下附壁射流流速影響，在D=0.45m處測點底板壓強出現明顯上升；在潛流臨底流速作用下，位于D=0.30、D=0.15m處的測點壓強相對于測點3-1和測點2-1、1-1均有所下降。

垂直射流方向的底板時均壓強值見表2。

表2 垂直射流方向底板時均壓強分布 單位：kPa

垂直射流方向，消力井中心處時均壓強最小，在D為0.15、0.30和0.45m處，底板壓強雖略有上升，但幅度均不大。結合井內水流流態分析，射流在井壁沖擊區立面上呈360°方向散開，左、右兩側的貼壁射流強度明顯小于上附壁射流和下附壁射流，射流軸線左側底板在上部水體重力作用下，水流相對平穩，測點1-7、測點2-7和測點3-7壓強幾無變化；而射流軸線右側為尾水渠出口，井內水流上下分層明顯：消力井表面水體呈急速股狀向尾水渠出流，而下層水體相對平穩，底板壓強分布沒有明顯變化。

3.2.2 動水壓強不均勻系數

射流斜向射入消力井中，井內流態復雜，底板壓強分布極為不均。為便于描述，結合消力井射流方向水流結構分區，以底板中心為原點，入射水流方向為0°方向(順時針方向為正)，將消力井底板分為四個區：-45°～45°之間區域為Ⅰ區，45°～135°之間區域為Ⅱ區，135°～225°之間區域為Ⅲ區，225°～360°之間區域為Ⅳ區。

動水壓強分布不均勻系數ε為井底板上的壓強波動最大值與消力井底板上各測點時均壓強的平均值之比，可表征底板動水壓強分布的不均勻程度。

沿不同半徑圓周，將各分區測點時均壓強最大值和最小值之差除以分區測點時均壓強平均值，得到不均勻系數ε～D關系曲線，如圖4所示。

圖4 底板壓強不均勻系數分布圖

由圖4(a)、(d)可知，在D=0.15m處，不均勻系數均小于0.02；直徑增加到D=0.30m，消力井下游側靠沖擊區底板ε下降，射流左側底板ε稍有上升；直徑D=0.45m時，下游側ε出現驟然上升，射流左側ε則相對平穩。由圖4(b)、(c)可以看出，在D=0.15m處，不均勻系數在0.02～0.04之間；直徑增加到D=0.30m，射流右側和中心點上游側ε均出現上升，但數值不大；直徑D=0.45m時，射流右側和中心點上游側ε同時出現下降。結合對表1、表2井底板時均壓強分布特性分析得出的結論(沖擊區下附壁射流和近底板潛流對井底板時均壓強分布影響較大)，可以認為消力井底板動水壓強不均勻系數在D=0.30m處達到相對極大值。

3.3 底板脈動壓強分析

3.3.1 脈動壓強方差值

脈動壓強劇烈變化所形成的巨大壓強梯度容易誘發消力井底板破壞，其方差能很好地反映入射水流脈動變化對底板的影響。

消力井底板不同分區脈動壓強方差值如圖5所示。

圖5 底板脈動壓強方差分布圖

從圖5可知，在D=0.15m處，方差值在0.02～0.06之間變化；當直徑增加到D=0.30m時，方差值上升，表明脈動強度增加；直徑D=0.45m時，Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區方差值均有下降，僅在Ⅰ區稍有上升(方差值達0.10)。結合射流方向測點3-1、2-1和1-1壓強時均值變化及水流結構分析，可以認為D=0.30m時，底板脈動壓強最大。

3.3.2 脈動壓強頻譜特性

按照渦旋理論，固壁上的壓強脈動是由于紊流內部存在著不同振幅、頻率及尺度渦旋的隨機運動所引起。壓強脈動的頻譜反映了能量在頻域上的分布，同時亦表明引起壓強脈動旋渦的構成。

消力井底板不同分區測點沿井徑方向的功率譜分布如圖6所示(Q=18L/s)。

圖6 消力井底板脈動壓強功率譜

消力井內水流紊動的底板破壞主要是高頻、小振幅的小尺度旋渦引起。由圖可知，不同分區沿半徑方向的壓強功率譜幅值變化不大：除了射流下游側(Ⅰ區)測點3-1處幅值為9.135kPa2，在消力井底板其他區域(Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區)，脈動壓強功率譜幅值都基本在7.850kPa2左右，半徑的變化對功率譜幅值大小幾無影響。在消力井內，無論哪一個分區，其底板脈動壓強優勢頻率小于0.1Hz，屬于低頻脈動，即便考慮比尺放大，也不會引發底板的振動破壞。

4 結語

針對山區水庫狹窄地形條件，通過水工模型試驗，研究斜向進水消力井底板動水壓強時均值及不均勻系數、脈動壓強方差和頻譜特性的變化規律。在一定泄洪功率條件下，消力井直徑從0.15m(D=1B)增大到0.30m(D=2B)時，底板壓強時均值、不均勻系數、脈動壓強方差均有增大。井徑進一步增加至0.45m時，除沖擊區底板時均壓強有所增加外，其他區域底板時均壓強基本不變；消力井底板脈動壓強不均勻系數、方差值均呈下降趨勢。此外，消力井底板脈動壓強功率譜優勢頻率主要集中0～0.1HZ低頻區間，遠小于實際水工建筑物的固有振動頻率。

[1] 郭雷. 豎井溢洪道體型優化試驗研究[D]. 西安理工大學, 2007.

[2] 張宗孝, 郭雷, 譚立新. 消能井內消能工直徑優化試驗[J]. 水利水電科技進展, 2008, 28(05): 54- 57.

[3] 侍克斌, 王瀅, 陳祖森, 等. 圓形深筒式消力井的試驗研究[J]. 中國農村水利水電, 2006(10): 82- 84.

[3] 王瀅. 圓形深筒式消力井試驗及消能機理研究[D]. 新疆農業大學, 2005.

[4] 衡海龍, 劉煥芳, 金瑾. 消力井消能效率及井底壓強分布研究[J]. 人民長江, 2016, 47(07): 82- 85.

[5] 郭子中. 消力井消能特性初步研究與試驗. 全國泄水建筑物下游消能防沖論文集. 北京: 中國水利水電出版社, 1998.

[6] 趙燦華. 豎井螺旋流水力學特性研究[D]. 中國水利水電科學研究院, 2001.

[7] 馬法三. 井流消能及其應用研究成果綜述[J]. 河海科技進展, 1994, 14(03): 1- 9.