圓孔格柵不同開孔率對井式消能水力特性的影響研究

陳秋蓉，邱勇，段勝禹，羅國立，胡祥森

(云南農業大學水利學院，云南昆明650201)

在地形多變、陡峭的峽谷型山區，消力井體型簡單、靈活、對地形地質條件有很好的適應性，但井深和井徑的大小直接影響下泄水流的消能效果和工程投資。文獻[1]通過模型試驗對豎井旋流泄洪洞中豎井與導流洞銜接段體型的優化進行研究，并給出了合理的消力井深度；文獻[2]針對低落差、小流量情況下，水平柵條在消力池內順流方向和垂直水流方向布置時的消能機理試驗研究；文獻[3]針對小落差泄水建筑物已有研究成果進行歸納總結，對柵條及矩形開孔格柵篩網式消能工在消力池中的結構布置、水力計算、消能計算給出了建議。已有文獻多針對豎直進水旋流消力井或底流消力池格柵布置開展研究。對于斜向進水消力井，研究團隊在文獻[4-6]針對井深、井徑變化及出口尾水底板高程的變化情況，對消力井水力特性進行研究。

1 方案設計

消力井布置于坡比為1∶1.5、寬為150 mm的溢洪道泄槽末端，泄槽最大水頭為2.19 m，消力井直徑為580 mm，井深0.665 m，底板高程0.10 m，格柵置于斜向進水式消力井中0.30 m處，見圖1。

矩形開孔格柵盡管施工方便，但在射流作用下的結構受力相對復雜，故試驗研究選擇圓形開孔格柵,平面上呈梅花狀等間距交錯布置，開孔率(格柵開孔面積與格柵面積之比)分別為40%、35%、30%，見表1。

表1 格柵柵孔參數

2 試驗成果分析

測點布置：沿射流方向在消力井底板布置7個測點，以消力井圓心為中心測點O，其上游側布置測點-3、-2、-1，其下游側布置測點1、2、3，邊緣測點-3、3,距離邊壁6.5 cm，其余測點相鄰間距為7.5 cm(圖1b)。

2.1 消力井水體結構分區

根據水流流態，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、入柵分割水體(圖2)。

a) 沖擊區。入射水流斜向進入消力井，在上部水體作用下，水股出現向下偏折沖擊到格柵上，形成入柵分割水體及向上的附壁射流。

b) 上附壁射流。射流沖擊到格柵板上，部分水體向上形成上附壁射流，并在消力井表面形成明顯的水突翻卷和表面旋滾。

c) 入柵分割水體。入射水流沖擊在格柵上，經格柵分割成股落下，可見大量氣泡隨水股往底板方向移動，水體與格柵下部水墊充分混摻。

2.2 消力井底板壓強特性分析

研究通過CY201高精度數字壓力傳感器(測量內容包括脈動壓強最大值、最小值、峰峰值、平均值、 標準差， 測量精度0.1%，量程0～50 kPa)測試得到消力井底板測點脈動壓強，圖3為消力井底板中心測點0某一時段的脈動壓強特性。

2.2.1消力井底板時均壓強

文獻[7]中已經給出了開孔率為40%，格柵位于消力井不同高程處的底板水力特性變化：底板時均壓強沿射流方向均呈先增大后減小趨勢，其中射流落點附近時均壓強最大。在此基礎上，給出了格柵布置的推薦方案?；谝延谐晒?，試驗進一步研究相同格柵布置、不同開孔率條件下消力井水力特性的變化。結論表明：改變格柵開孔率，底板時均壓強的分布及變化規律相同。

高速入射水流進入消力井后，其沖擊力直接影響消力井結構安全，時均壓強為脈動水流在某一時段的統計平均值，能夠很好地反映消力井底板在入射水流作用下的受力情況。

泄槽末端不同流量情況下的流速v1分別為2.67 m/s(Q=6 L/s)、3.71 m/s(Q=12 L/s)、4.50 m/s(Q=18 L/s)，根據試驗測試，得到不同試驗方案(開孔率)在3組流量下底板時均壓強沿射流方向的分布，見圖4。

圖4消力井底板時均壓強分布

在相同流量下，消力井底板水股落點附近時均壓強隨格柵開孔率的降低而降低，但出口水流流態趨于惡化。

流量Q=12 L/s情況下，格柵開孔率為40%(方案一)時，斜向入射水流沖擊柵板后，大部水體經柵孔分割為直徑較大的斜向水股下落，消力井底板測點1處時均壓強最大，達到6.928 kPa，并且柵板下部水體紊動劇烈；入射水流的一部分沖擊柵板后向上彈射，形成沿井壁上行的附壁射流(水面可見水突)，致使消力井出口主流稍偏于尾水渠左側(臨邊平均最大水深12.1 cm)，橫斷面最大水深差值為0.8 cm，消力井內水體及尾水渠流態較為平順。

格柵開孔率降低到35%(方案二)時，格柵開孔率減小(孔數增加，柵孔直徑減小)，入射水流經格柵分割為直徑較小的水股下落，分割水股落點向消力井中心測點0偏移，最大時均壓強(6.844 kPa)有所降低，但格柵下部水體的紊動程度明顯減輕；入射水流在柵板上的彈射增強，但對格柵上部水體以及出口尾水渠水流流態影響均較小。消力井出口處主流位置偏于左側(臨邊最大平均水深12.4 cm)，橫斷面最大水深差值為1.4 cm。

格柵開孔率進一步減小為30%(方案三)，隨著孔數減少(柵孔直徑不變)，消力井底板最大時均壓強為6.835 kPa，數值變化不大，但格柵下部水體更為平穩，入柵水股攜帶氣泡現象明顯減輕；入射水流在柵板上的彈射現象加劇，上附壁射流爬升高度增加，上涌水突明顯，加劇了消力井內水流紊亂；消力井出口主流斜向右岸偏移(臨邊最大平均水深13.4 cm)，尾水渠橫斷面差值水深達到2.6 cm，已經形成折沖水流，尾水渠流態顯著惡化。

對于相同的格柵開孔率，隨流量增加，消力井底板時均壓強呈增加趨勢，并且由于射流落點前移，消力井底板時均壓強最大值越靠近下游井壁。

2.2.2底板脈動壓強標準差

高速入射水流進入消力池后會引起水流不同程度的脈動，此過程伴隨能量的遷移和消散，但脈動強度過大會對建筑物的安全造成威脅，脈動壓強標準差可反映壓強脈動的強度。

試驗得到不同開孔率的格柵在Q=6、Q=12、Q=18 L/s 3組流量下消力井底板脈動壓強標準差的變化，見圖5。

圖5消力井底板脈動壓強標準差

由圖5可知，下泄流量相同時，隨格柵開孔率的變化，消力井底板測點的脈動壓強標準差沿射流方向的變化曲線呈“M”形狀。分析其原因，在于測點0位于沖擊區下方，在分割水股作用下，盡管該測點時均壓強最大，但脈動壓強標準差較小；測點-1、1位于入柵分割水股區邊緣，受格柵上部紊動水體影響，盡管測點時均壓強不大，但脈動壓強標準差大于消力井中心測點。

相同下泄流量下，水股落點區底板脈動壓強標準差隨著開孔率的降低而減小，客觀上減弱了水股對消力井底板的擾動。Q=12 L/s時，格柵開孔率為40%(方案一)下，測點1處脈動壓強標準差達到0.171；當格柵開孔率降低至35%(方案二)時，脈動壓強標準差降低至0.146，降幅為15%；格柵開孔率繼續降低至30%(方案三)，脈動壓強標準差降低至0.142，但降幅僅為0.3%。相同格柵開孔率時，隨著流量的增大，底板脈動壓強峰峰值呈增大趨勢。

2.2.3底板脈動壓強峰峰值

底板脈動壓強峰峰值為同一測點上壓強最大值與最小值之差，反映底板脈動壓強的變異。根據試驗測試，得到不同流量、不同開孔率下消力井底板沿程脈動壓強的峰峰值，見圖6。

由圖6可知，相同流量不同開孔率下，沿射流方向底板脈動壓強峰峰值變化曲線同樣呈“M”形狀，其分布規律和消力井底板脈動壓強標準差相同。

下泄流量Q=12 L/s時,測點1在開孔率為40%(方案一)下峰峰值達1.187 kPa；開孔率減小至35%(方案二)時，峰峰值降低0.884 kPa，降幅達25.5%；開孔率繼續減小到30%(方案三)時，峰峰值反而增大到1.136 kPa。其原因在于隨著開孔率減小，格柵上部水體流態呈惡化趨勢，入柵水股受格柵上部水體脈動影響，消力井底板脈動壓強峰峰值逐漸增大。在不同流量下，相同格柵開孔率的消力井底板壓強峰峰值隨流量的增大同樣呈增大趨勢。

圖6消力井底板脈動壓強峰峰值

2.2.4底板脈動壓強頻譜特性

水流紊動為不同尺度的漩渦作隨機運動的結果，渦體在隨機運動過程中與水體間發生碰撞、剪切、混摻，同時伴隨能量的削弱和消殺。頻域分析中的壓強頻譜特性能很好地反映紊流隨機運動過程中能量和頻率的分布情況。根據試驗測試，得到Q=18 L/s下消力井底板脈動壓強功率頻譜特性，圖7為測點1的功率頻譜特性。

由圖7可知，在相同下泄流量下，隨著開孔率減小，消力井底板脈動壓強功率呈下降趨勢。方案一(開孔率40%)的壓強功率達5.1 kPa2,方案二(開孔率35%)降低至4.8 kPa2，降幅為6.0%，方案三(開孔率35%)繼續下降至4.7 kPa2，但降幅僅為2.1%。原因在于隨著開孔率降低，過柵水股數量和強度減少，格柵下部水墊的混摻、剪切、摩擦作用增大，消力井內水體對渦體尺度的阻礙及吸收射流動能的作用也相應增大，從而使射流作用于消力井底板的能量衰減。

增設格柵前后，消力井脈動壓強功率譜頻率均集中在0.1 Hz以內，屬于低頻區(10 Hz以內)，其脈動壓強主要是大振幅、低頻率的大尺度渦體，不會引起建筑物的共振破壞[10]。

3 結論

通過改變格柵孔徑和柵孔間距，研究不同開孔率(40%、35%、30%)試驗方案條件下消力井底板水力特性的變化，成果表明：①格柵開孔率為40%時，過柵分割水股對消力井底板的沖擊最大，消力井底板水股落點區域時均壓強、脈動壓強標準差以及脈動壓強峰峰值、功率頻譜均最大，而且格柵下部水體紊動劇烈；②格柵開孔率減小到35%時，消力井底板時均壓強、脈動壓強標準差以及脈動壓強峰峰值、功率頻譜均有所降低，其中脈動壓強標準差由0.171降低至0.146，降幅為 15%，脈動壓強峰峰值由1.187 kPa降低至 0.884 kPa，降幅達25%，格柵下部水體紊動程度明顯減弱，格柵上部水體及尾水流態變化不大；③格柵開孔率減小至30%時，消力井底板時均壓強、脈動壓強標準差、功率頻譜降幅明顯減小，入射水流在格柵上的彈射加劇，上附壁射流爬升高度增大，致使消力井內水體紊動加劇(消力井底板脈動壓強峰峰值不降反增)、出口尾水渠水流流態惡化。