糙條消減彎段溢洪道水流能量試驗研究

賈萍陽，牧振偉，李凡琦，孫德旭，張紅紅

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

溢洪道中，泄槽段是連接上游控制段與下游消能段的過渡部分，一般設計為順直、等寬，但特殊情況下往往需要將泄槽段扭轉角度滿足泄洪要求。溢洪道泄槽的水流特點是陡坡急流，泄槽設計成彎段，行洪過程中水流受到重力與離心力的雙重作用，出現橫斷面縱向流速分布不均、主流區往復擺動、水流沖擊波等現象[1-4]，影響下游消能，此時需要采取工程措施控制此問題。從現有文獻[5-8]已知，溢洪道彎段泄槽內的工程措施主要分為兩類，一類是對彎道水流施加側向力來平衡彎道離心力，比如渠底超高法[9]、復曲線法[10]、渠底橫向扇形抬高法[11]，此類方法雖然效果顯著，但對于已建工程來說無法進行補救；第二類方法是干擾處理法，在彎段泄槽內布置干擾彎道水流波動的反波措施，如斜底檻[12]、丁壩[13]、導流墻[14]等。溢洪道消能措施大多數建在消能段[15]，在新疆“635”水庫溢洪道中，首次將糙條應用于泄槽彎道段來消減水流能量，糙條布置效果見圖1。根據溢洪道設計規范，彎道半徑一般應大于6～10倍槽寬，而“635”工程由于地形條件限制，最大轉彎半徑僅是泄槽寬度的3倍，由于轉彎較急，彎道內環流強度大，流態復雜，而布置糙條后可以有效控制此問題。有關糙條現有文獻都基于工程模型，為了擴大糙條適用范圍，提高其普適性，論文通過概化溢洪道模型試驗結合數值模擬方法，從橫斷面縱向流速均勻度、水能耗散率、主流區位置三個方面分析糙條對彎段溢洪道水流能量的消減特性。

圖1 溢洪道彎段槽底布置糙條消能工Fig.1 Rough energy dissipation is arranged at the bottom of spillway curved groove

1 試驗方法

1.1 試驗模型

溢洪道模型制作采用有機透明玻璃板，試驗模型沿水流方向依次為進口直段、60°彎道段、出口直段。其中溢洪道模型寬50 cm，保證溢洪道左右岸水流充分發展接近實際現象。進口直段長60 cm，保證水流進入彎道前平順，避免對彎道內流態產生影響。彎道段中心角60°，中軸線半徑為85 cm。為了便于觀察下游水流沖擊波現象，出口段長140 cm。溢洪道模型底坡i為0.025。糙條縱斷面為梯形，橫斷面為矩形，布置于溢洪道彎道段底板上，為了將彎道處水流由凹岸導向凸岸，糙條高度參照實際工程設計為凹岸高，凸岸低。溢洪道模型及糙條結構見圖2。

圖2 溢洪道及糙條模型Fig.2 Spillway and rough energy dissipation model

1.2 試驗方案

試驗主要分為三部分，一是為研究糙條對水流能量的消減程度，在22.5 L/s流量情況下，設計無糙條及槽底布置糙條兩類方案，以無糙條方案下試驗結果作為對比，其中布置糙條方案又分為以糙條高度為固定條件，改變間距和以糙條間距為固定條件，改變高度5種方案，方案設計具體見表1；二是為分析糙條對彎道橫斷面縱向流速的均勻重分配作用，選擇表1中方案1(無糙條方案)與方案5(布置糙條方案)，分別計算兩方案下14個橫斷面的流速均勻度，分析其流速均勻度沿程變化；三是為了彌補模型試驗對彎道內部水流結構認識不足，探究糙條對彎道主流區歸順作用，利用數值模擬方法對方案1與方案5進行模擬，提取橫斷面流場分布云圖。

表1 試驗設計方案Tab.1 Experimental design scheme

1.4 試驗測量

為得到糙條對水流能量耗散程度以及使流速均勻化程度，試驗模型設計14個橫斷面進行測量，橫斷面分布見圖3。所要測量的每個橫斷面布設6個測點，每個測點測量其流速及水深，流速測量使用畢托管取距離水面0.6 h處，水深采用水位測針，精度0.1 mm，流量測量采用量水堰。

圖3 測量斷面分布圖Fig.3 Distribution of measured sections

2 結果及分析

2.1 彎道水流分析指標

溢洪道彎段泄槽在泄洪時易形成凹凸岸流速分布不均，導致凹岸沖刷嚴重，主流在溢洪道內往復擺動，形成沖擊波現象，且本身水流能量較大，不利于下游消能設施的安全運行，加入糙條的目的是為了改善以上問題，因此分析彎道水流改善效果可用水能耗散率、流速均勻度、主流區位置3個指標反映。

2.1.1 彎道水能耗散率

溢洪道泄洪時攜帶的水流能量較大，因此水流能量的消減是溢洪道消能課題本身研究的重點，為了量化布置糙條后對彎道水流能量耗散的程度，在水流能量方程基礎上引入水能耗散率：

(1)

(2)

(3)

2.1.2 流速均勻度

彎道中形成的橫向環流會造成溢洪道橫斷面各點縱向流速分布不均，在彎道下游出口直段易形成沖擊波，需要很長一段直線距離才能使其斷面流速均勻化，為了對比表1中方案1與方案5前后流速均勻恢復程度，引入流速均勻度：

(4)

2.1.3 主流區位置

彎道中產生的橫向環流使得主流往復擺動，下游形成沖擊波現象，主流區位置可以反映糙條對彎道水流的歸順作用，而且數值模擬云圖也可以直觀反映流速在溢洪道橫斷面的分布情況。

2.2 糙條對彎道水流能量消減分析

2.2.1 彎道水能耗散分析

彎道水流之所以在下游直段中形成沖擊波左右沖撞邊墻，造成下游直段水流流態不穩定，主要是因為水流由直段進入彎段時流速太大，主流受重力沖向凹岸邊墻，同時受凹岸邊墻的反推力向凸岸運動，因此在彎段中形成沖擊波傳播至下游直段中，惡化直段中水流流態。實際工程在彎道中布置糙條來抑制彎道形成水流沖擊波，為了體現糙條對彎道水流能量的消減作用，選取圖4中10號斷面，計算其布置糙條前后斷面水流機械能統計于表2。

由表2可以看出，對比無糙條方案，布置糙條方案均表現出斷面平均流速下降，說明糙條可以削減溢洪道水流流速，因為槽底布置糙條會加大底板粗糙程度，對來流進行阻擋，撞擊，使水流能量部分損耗在水流之間的混摻，碰撞中；但布置糙條方案斷面平均水深比無糙條方案高，因為糙條的置入會雍高水位，水流受到糙條的阻擋在底層形成回流，與來流相撞使水位上升，同時流速隨之降低，動能轉化為位能，但下游直段流態較無糙條方案更穩定；由表2可以看出，布置糙條方案比無糙條方案斷面機械能均降低，且大部分耗散率達到40%以上，說明糙條可以消減部分彎道水流能量，分擔下游消能設施的消能壓力。

表2 10號斷面水流機械能Tab.2 Mechanical energy of water flow in section 10

2.2.2 橫斷面縱向流速均勻度

對無糙條方案與布置糙條方案情況下均沿水流方向選取14個橫斷面，根據測得流速數據，通過公式(4)得到每個橫斷面流速均勻度，由圖4可以看出，無糙條方案下，進口直段1-3號橫斷面流速均勻度保持在0.95以上，說明直段流速分布均勻；4-9號為彎道處斷面，相比出口直段，流速均勻度明顯下降，說明4-9號斷面各測點流速差異較大，在9號斷面處，流速均勻度降到0.667，該斷面位于彎道出口，由試驗觀察發現此處存在回流現象，見圖5；10-14斷面為下游直段，由圖可以看出流速均勻度呈上升趨勢，說明在無糙條情況下出口直段有調整流速并恢復其均勻性的作用；對于布置糙條方案，各個斷面流速均勻度均保持在0.95左右，說明糙條可以提高流速均勻度，使斷面縱向流速均勻化；布置糙條方案下橫斷面縱向流速在出口直段依舊保持較高均勻度，而無糙條情況下，流速需要經過一段距離才逐漸達到均勻分布效果，說明糙條的置入可以縮短出口直段對流速均勻化的調整距離。

圖4 流速均勻度沿程變化趨勢Fig.4 The uniformity of flow velocity varies along the path

圖5 9號斷面處回流現象Fig.5 Reflux at section 9

2.2.3 主流區位置

(1)模型驗證。為了解決物理模型試驗中主流區難以測量問題，本試驗對表1中方案1與方案5建立數值模型，其計算區域如圖7所示，采用RNGk-ε紊流數值模型結合VOF法對模型進行數值模擬計算，壓力速度耦合方式采用SIMPLE算法，網格劃分均采用六面體網格，單元格尺寸為0.4 cm。為了驗證數值模型計算結果的正確性，對圖3中縱向測線B的14個測點進行數值模型與物理模型的水深數據對比，其中無糙條方案數值模型給定邊界條件為初始水深0.09 m，初始流速0.52 m/s，計算提取結果顯示兩者水深數據吻合較好，說明數值模擬結果較準確，數據對比見圖6。

圖6 縱向測線B數值模型與物理模型水深對比Fig.6 Comparison of depth between numerical model and physical model of longitudinal survey line B

(2)主流區位置對比分析。計算結果提取對應圖4中部分橫斷面流場云圖，見圖8，分析其主流區位置沿程變化規律。云圖左側為凸岸，右側為凹岸。2號斷面位于泄槽進口直段(見圖4)，由圖8(a)可以看出，在進口直段橫斷面中，無糙條方案與布置糙條方案橫斷面流場呈現均勻分布，說明進口直段可以保證水流進入彎道前流態均衡，對彎道段水流不產生影響；4號橫斷面位于泄槽入彎處，由8(b)可以看出，無糙條方案下，主流區由原本均勻分布在溢洪道軸線位置偏移至凸岸附近，布置糙條后，原本偏向凸岸的主流區被糙條導向至溢洪道中心位置，說明糙條對彎道處主流區具有歸順作用；7號斷面位于彎道頂點位置，由圖8(c)可以看出無糙條方案下，主流區依然偏向凸岸，流速梯度較大，左右岸流速分布不均勻，布置糙條后，主流區被導向溢洪道中軸線，證明糙條不僅具有消能作用，同樣具有導流作用；9號斷面位于彎道出口處，由圖8(d)可以看出無糙條方案下，凸岸流速幾近為0，因為此處存在回流現象，而布置糙條后此現象明顯得到改善，主流區重新歸位中軸線附近；由圖8(e)-(h)可以看出，無糙條方案下主流區由凸岸逐漸向凹岸遷移，形成沖擊波在下游直道段左右沖撞，布置糙條方案下主流區雖然仍有向右岸遷移趨勢，但流速明顯低于無糙條方案，說明糙條可以消減下游直段中沖擊波能量。

圖7 數值模型網格Fig.7 Numerical model grid

圖8 橫斷面流場云圖Fig.8 Cross-sectional flow field contours

3 結 論

糙條消能工作為一種人為加糙措施，實質是提高底板粗糙度，增大水頭沿程阻力，遏制彎道環流產生的急流沖擊波，通過模型試驗結合數值模擬方法，以水能耗散率，流速均勻度，主流區位置作為評價指標，對比無糙條方案與布置糙條方案下的試驗結果，得到以下結論：

(1)糙條可以降低彎道水流流速，但同時會雍高彎道斷面水深，糙條可以提高水流能量的耗散，緩解下游消能設施的壓力，其間距變化對水流能量耗散的影響程度大于高度。

(2)糙條能使彎道斷面縱向流速分布均勻，不需改變原溢洪道設計參數，便可對溢洪道流態進行整治，且縮短出口直段調整距離。

(3)糙條對主流區具有遷移作用，使主流區基本維持在溢洪道中軸線位置，同時抑制出口直段水流沖擊波帶來的不利影響。

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