壩庫(kù)工程放水塔流態(tài)變化與泄流量規(guī)律研究

權(quán) 萌

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局，陜西 咸陽(yáng) 712000）

1 概述

放水塔與豎井溢洪道相似，是一種取放水穩(wěn)定、防淤堵性能好的小型泄水建筑物，同時(shí)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建造難度小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，按照體型一般分為矩形和圓形塔式結(jié)構(gòu)，進(jìn)水方式有單面進(jìn)水和多孔進(jìn)水。由于壩庫(kù)工程蓄水?dāng)r沙的作用易造成庫(kù)內(nèi)泥沙淤積，所以選擇放水塔作為其泄水建筑物。放水塔取代早期的臥管，主要應(yīng)用于我國(guó)黃土高原地區(qū)的淤泥庫(kù)中，區(qū)別于應(yīng)用在水庫(kù)中的放水塔，對(duì)泄水量要求不高，采用多級(jí)式進(jìn)水，在塔身不同高度處設(shè)置多個(gè)進(jìn)水口。國(guó)外關(guān)于此類放水塔研究較少，目前我國(guó)壩庫(kù)工程中已建成的淤地壩可達(dá)16萬(wàn)余座，但是國(guó)內(nèi)研究對(duì)高壩大流量泄水建筑物較為重視，從而忽視了低水頭小流量類型的水工特性研究，因此在放水塔建造設(shè)計(jì)和加固維護(hù)中，水工設(shè)計(jì)人員對(duì)放水塔的水流流態(tài)及各水力參數(shù)缺乏參考數(shù)據(jù)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)使用最多的多級(jí)取水式放水塔設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?duì)該模型進(jìn)行流態(tài)變化分析和泄流量變化規(guī)律研究。

2 模型設(shè)計(jì)及量測(cè)

為保證模型試驗(yàn)結(jié)果能擬合實(shí)際流態(tài)和泄流量規(guī)律，要求模型邊界條件與實(shí)際工程相似，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包含供水系統(tǒng)、試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒘克吆臀菜厮牟糠郑炷敛诼蕿?.014，為便于觀察，選用糙率約為0.008的有機(jī)玻璃制作水工單體模型。模型體型參數(shù)按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，該模型的各物理量比尺見(jiàn)表1。

表1 多級(jí)式放水塔模型各物理量比尺表

由于壩庫(kù)工程中普遍使用多級(jí)放水塔，在模型的塔身上開(kāi)設(shè)了5級(jí)進(jìn)水口和一個(gè)出水口，開(kāi)口形狀俱為上下半徑0.3 m的1/4圓弧與左右直線相連接組成，進(jìn)水口按高度從上至下依次為上4孔、上3孔、上2孔、上1孔和底孔，尺寸為1.2 m×1.2 m，底孔與出水口的軸線在同一高度上，距塔底1.5 m，出水口尺寸為1.05 m×1.5 m。放水塔內(nèi)徑為3 m，塔后接無(wú)壓城門(mén)洞型放水洞，坡比為1%，尺寸為1.5 m×1.8 m，其中直墻高1.05 m，洞頂通氣孔直徑為0.24 m。為研究塔內(nèi)在不同角度處進(jìn)水流態(tài)的變化，對(duì)進(jìn)水口與出水口角度位置做0°、30°、60°、90°四種布置。模型基本體型見(jiàn)圖1。

圖1 模型體型示意圖

試驗(yàn)中采用矩形水箱模仿庫(kù)區(qū)環(huán)境，水箱內(nèi)水用水泵與地下水庫(kù)形成進(jìn)行循環(huán)使用，在進(jìn)口處設(shè)置閘門(mén)調(diào)節(jié)庫(kù)水位，利用穩(wěn)水柵控制水流，使其平穩(wěn)流入放水塔。放水塔內(nèi)流態(tài)的變化通過(guò)有機(jī)玻璃可直接觀察，因試驗(yàn)時(shí)泄流量較小，在量水堰形態(tài)上選擇直角三角形，對(duì)于消能井和放水洞內(nèi)的水位采用直尺測(cè)量，水面線波動(dòng)較大時(shí)控制誤差在±5 mm以內(nèi)。

3 流態(tài)變化

放水塔內(nèi)流態(tài)變化不僅影響其泄流能力，還會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)水流沖擊，威脅放水塔的穩(wěn)定性。試驗(yàn)在不同進(jìn)水角度和高度下，觀察放水塔的進(jìn)水口、消能井和放水洞的流態(tài)變化，分析得出變化時(shí)的臨界水力條件。

3.1 進(jìn)水口流態(tài)變化

觀察進(jìn)水口處流態(tài)，見(jiàn)圖2，分為堰流和閘孔出流，設(shè)水面到進(jìn)水口底坎的高度為H，試驗(yàn)中進(jìn)水口高度h，試驗(yàn)表明：當(dāng)時(shí)為堰流，不影響泄流能力；當(dāng)時(shí)為閘孔出流，隨著水頭增大塔內(nèi)水位上升，直至淹沒(méi)進(jìn)水口底部，此時(shí)為淹沒(méi)出流，放水塔泄流能力降低。

分別觀察上部進(jìn)水口和底部進(jìn)水口的流態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)上部進(jìn)水口與出水口的夾角變化對(duì)進(jìn)水口處流態(tài)影響不大，但隨著的數(shù)值發(fā)生變化，水流狀態(tài)不斷發(fā)生變化。具體變化為（見(jiàn)圖2）：當(dāng)水頭時(shí)，水流自由跌落至塔底消能井內(nèi)；當(dāng)水頭處于時(shí)，水流沖擊塔壁，沖擊的位置隨水頭的升高上升，水流卷入空氣沖擊塔壁的力度隨庫(kù)水位的升高而加大，引起塔身劇烈震動(dòng)；當(dāng)時(shí)，水流沖擊塔壁的位置穩(wěn)定于進(jìn)水口高度處，水流沖擊塔壁后跌落中卷入大量氣體，同時(shí)使下落水流和井內(nèi)水墊摻氣，水流跌落于消能井底后反彈，沿井壁回升與下落水流發(fā)生碰撞，此時(shí)塔壁周圍有充氣低速水流環(huán)繞，不會(huì)發(fā)生空蝕現(xiàn)象。本試驗(yàn)中R為放水塔半徑。

圖2 上部進(jìn)水口流態(tài)示意圖

在觀察底部進(jìn)水口處流態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)改變進(jìn)、出水口軸線夾角，底孔進(jìn)水口處水流流態(tài)存在明顯差異，見(jiàn)表2。

表2 底孔進(jìn)水時(shí)流態(tài)隨進(jìn)出水口夾角的變化規(guī)律

3.2 放水塔內(nèi)流態(tài)變化

水流經(jīng)上部進(jìn)水口或底部進(jìn)水口流入時(shí)，水頭和進(jìn)出水口軸線角度的變化對(duì)消能井水流產(chǎn)生影響，以上部進(jìn)水口以上2孔為例，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3~圖4。

圖3 塔內(nèi)水位隨角度的變化規(guī)律（上2孔）

圖4 塔內(nèi)水位隨水頭的變化規(guī)律（上2孔）

由圖3可知，上部進(jìn)水口處于同一水頭，但進(jìn)、出水口軸線夾角不同，塔內(nèi)水位H"/R基本不變，角度變化對(duì)水位影響微小；由圖4可知不同角度下水位都隨著水頭的升高上升，且變化曲線相似。

底部進(jìn)水口因其高度與出水口位置一致，所以底部進(jìn)水口與出水口夾角變化對(duì)消能井內(nèi)流態(tài)影響較大，由圖5可知同一水頭下，水位隨著底孔與出水口軸線夾角增大而上升，水面越平穩(wěn)；不同夾角下水位隨著水頭升高的變化規(guī)律見(jiàn)圖6，夾角越大，塔內(nèi)水位上升速度越快，當(dāng)夾角為0°時(shí)，此時(shí)進(jìn)出口和出水口處于同一軸線，水頭增加但塔內(nèi)水位依然不變，水面波動(dòng)隨水頭增大而增大。而夾角不為0°時(shí)，水流經(jīng)過(guò)進(jìn)水口后沖擊塔壁，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)落下，導(dǎo)致水流不能及時(shí)泄出，放水塔泄流能力降低，水位隨之升高。

圖5 塔內(nèi)水位隨角度的變化（底孔）

圖6 塔內(nèi)水位隨水頭的變化（底孔）

3.3 放水洞內(nèi)流態(tài)變化

水流通過(guò)消能井充分消能后流入放水洞，觀察水流進(jìn)入放水洞內(nèi)流態(tài)變化，在洞口為乳白色水汽混合物，流速較大，水面波動(dòng)大但水深較淺，在水流動(dòng)過(guò)程中，水中氣體逐漸溢出，洞內(nèi)水面趨于平緩，水深逐漸增加。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)水流經(jīng)過(guò)放水洞時(shí)，隨著進(jìn)水口與出水口軸線夾角和的變化，洞內(nèi)流態(tài)變化會(huì)出現(xiàn)明滿流交替或水流擊打洞頂?shù)惹闆r，見(jiàn)表3。

表3 放水洞內(nèi)流態(tài)變化情況

由表3可知，隨著進(jìn)水口與出水口軸線夾角增大，易出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象，為改善流態(tài)可采取增加洞內(nèi)斷面面積；水流經(jīng)上部進(jìn)水口進(jìn)入與通過(guò)底孔進(jìn)入相比較，得出隨著水頭的增大放水洞內(nèi)水面劇烈波動(dòng)，出現(xiàn)擊打洞頂?shù)那闆r，可適當(dāng)設(shè)置進(jìn)口處壓坡的坡度緩解此流態(tài)。

4 泄流量變化規(guī)律

根據(jù)放水塔在工程中的應(yīng)用要求，從兩個(gè)方面研究泄流量的變化規(guī)律及影響因素。

1）分別觀察在進(jìn)水口與出水口軸線夾角為0°和90°時(shí)，水流從不同高度的進(jìn)水口流入時(shí)對(duì)泄流量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可知：夾角為0°時(shí)，各進(jìn)水口泄流量隨著水頭的增加而減小，變化趨勢(shì)基本一致；夾角為90°時(shí)，由于淹沒(méi)出流的原因，在同一水頭時(shí)底孔的泄流量明顯小于上部進(jìn)水口，各孔泄流量都隨著水頭的增大而有所減小。

圖7 各孔泄流量隨水頭的變化關(guān)系

2）觀察泄流量隨水頭的變化關(guān)系，得出進(jìn)水口與出水口軸線角度變化對(duì)泄流量的影響，由于上部進(jìn)水口的角度變化對(duì)塔內(nèi)水位影響很小，選擇以上2孔代表上部進(jìn)水口，研究進(jìn)水口角度對(duì)泄流量的影響。

由8圖可知，上2孔的泄流量隨水頭的變化曲線在四種角度下，泄流量隨著水頭的增大而減小，基本可以擬合為一條曲線，夾角的變化基本不對(duì)泄流量產(chǎn)生影響；當(dāng)水頭一致時(shí)，底孔與出水口軸線的夾角越大，底孔的泄流量越小。

圖8 泄流量隨水頭的的變化規(guī)律

5 流量系數(shù)的變化規(guī)律

由流態(tài)和泄流量變化的分析結(jié)果可得出流量系數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出堰流流量系數(shù)m隨底坎水頭的變化曲線，見(jiàn)圖9。

進(jìn)水口與出水口軸線夾角為0°時(shí)，水流通過(guò)各進(jìn)水口流入的流量系數(shù)與水頭的變化趨勢(shì)相似，擬合曲線表達(dá)式為：

m=0.4676（H/R）0.3847（h/H＞0.75）

進(jìn)水口與出水口軸線夾角為90°時(shí)：上部進(jìn)水口進(jìn)水時(shí)流量系數(shù)m1、底孔進(jìn)水時(shí)的流量系數(shù)m2隨水頭的變化曲線計(jì)算表達(dá)式為：

圖9 堰流流量系數(shù)隨水頭的變化規(guī)律

對(duì)閘孔出流中自由出流的流量系數(shù)進(jìn)行研究，閘孔出流流量系數(shù)在進(jìn)水口與出水口軸線夾角為0°和90°時(shí)，隨水頭變化的曲線見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 孔流流量系數(shù)隨水頭的變化規(guī)律（0°）

圖11 閘孔自由出流流量系數(shù)隨水頭變化規(guī)律（90°）

進(jìn)水口與出水口軸線夾角為0°時(shí)，由圖10中流量系數(shù)變化曲線可知，得出閘孔自由出流的流量系數(shù)表達(dá)式如下：

進(jìn)水口與出水口軸線夾角為90°時(shí)，上部進(jìn)水口進(jìn)水時(shí)均為閘孔自由出流，其流量系數(shù)隨水頭變化曲線見(jiàn)圖11，流量系數(shù)可近似表達(dá)為：

因淹沒(méi)出流時(shí)對(duì)流量系數(shù)的影響因素過(guò)多，受試驗(yàn)條件限制不對(duì)淹沒(méi)出流的情況進(jìn)行研究。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)放水塔不同進(jìn)水口處的流態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)水頭范圍內(nèi)，進(jìn)、出水口軸線的夾角對(duì)上部進(jìn)水口的流態(tài)和塔水位影響很小，此時(shí)上部進(jìn)水口均為自由出流，水面波動(dòng)隨著水頭的增大而增大；但底部進(jìn)水口在夾角為30°、60°、90°時(shí)，出現(xiàn)了淹沒(méi)出流，且?jiàn)A角越大塔水位上升越快。

（2）在水頭為2.0≤H/R≤3.2時(shí)，經(jīng)上部進(jìn)水口射入的水流沖擊塔壁，塔身振動(dòng)，當(dāng)H/R＞3.2時(shí)，沖擊點(diǎn)固定，下泄的水流不會(huì)對(duì)放水塔形成空蝕現(xiàn)象。

（3）放水洞內(nèi)出現(xiàn)流態(tài)較差臨界條件為：底孔進(jìn)水，進(jìn)、出水口軸線夾角為0°，水頭為3.2；上部進(jìn)水口進(jìn)水，進(jìn)、出水口軸線夾角為90°，水頭在4.2到5.5之間。可通過(guò)適當(dāng)增加放水洞內(nèi)斷面面積，或進(jìn)口處壓坡設(shè)置坡度緩解此流態(tài)。

（4）進(jìn)、出水口軸線夾角對(duì)上部進(jìn)水口泄流量基本無(wú)影響，但對(duì)底部進(jìn)水口泄流量影響較大，隨著水頭的增大，泄流量減小，且?jiàn)A角越大減小的速度越快。

（5）在進(jìn)水口為堰流時(shí)，其流量系數(shù)隨水頭的變化均為指數(shù)曲線，當(dāng)進(jìn)水口為閘孔自然出流時(shí)，可將曲線分為1.07≤H/R≤3.2和H/R＞3.2兩段，開(kāi)始流量系數(shù)μ隨水頭變化曲線呈指數(shù)圖像，而在H/R＞3.2時(shí)，流量系數(shù)趨近于常數(shù)0.615。