側(cè)縮結(jié)構(gòu)對階梯泄水道水力特性的影響研究

楊 濤

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200080）

階梯消能工以其特殊的結(jié)構(gòu)形式， 顯著的消能效果，良好的摻氣效果和減少泄洪霧化的特性，被廣泛運用于各種水利水電工程中［1-2］。 依據(jù)結(jié)構(gòu)形式，階梯消能工主要分為兩大類： 傳統(tǒng)型階梯消能工和新型階梯消能工， 其中新型階梯又分為組合式階梯和變形式階梯［1］。 新型階梯消能工，是基于傳統(tǒng)型階梯， 局部增設(shè)輔助結(jié)構(gòu)， 或?qū)﹄A梯自身結(jié)構(gòu)進行變化，以提高階梯消能工的消能效果、摻氣效果，以及減少空化空蝕發(fā)生的風險，例如尾坎式階梯［3］、反坡式階梯［4］、分流板式階梯［5］、全斷面階梯消能工［6］、非均勻“一”字式階梯［7］、水躍式階梯［8］、V形階梯［9］等。

相比于光滑的溢洪道， 階梯溢洪道的消能效果更好，整體消能率可達80%左右［10］。 階梯溢洪道消能效果的主要影響因素包括：單寬流量大小，水流流態(tài)型式，階梯底坡坡度，階梯跌落高度，泄水道寬度，階梯數(shù)量等。當階梯泄水道結(jié)構(gòu)尺寸一定時，增大來流流量會降低消能率，造成出流余能增大；在一定來流流量情況下，增加階梯數(shù)量、增大階梯跌落高度或者減少泄水道底坡坡度均能提高其消能效果［11］。Chinnarasri和Wongwises［4］研究發(fā)現(xiàn)，相同階梯尺寸條件下，對比傳統(tǒng)型階梯、反坡式階梯和尾坎式階梯，尾坎式階梯泄水道消能效果最佳。 Gonzalez 和Chanson［5］研究發(fā)現(xiàn)，將分流板縱向布置于坡度為22°的階梯上， 可有效地改變水流的紊動強度。 與此同時，通過調(diào)節(jié)分流板的數(shù)量，可有效控制水流紊動強度，增強滑移主流和漩渦間的質(zhì)量、動能及能量的相互轉(zhuǎn)換。 2009年，張建民等［6］提出了全斷面階梯消能工形式， 即沿著階梯泄水道兩側(cè)邊壁增設(shè)階梯消能工。水流在逐級跌落過程中，受邊壁階梯消能工的作用，橫向上不斷收縮和擴張，加強了水流碰撞，促進了水氣摻混，提高了消能效果，過水斷面摻氣效果良好，可有效減少空化空蝕的風險。

本文在階梯泄水道的基礎(chǔ)上， 提出在不同位置的階梯斷面增設(shè)側(cè)縮結(jié)構(gòu)的方式， 利用物理模型試驗的方法，研究階梯泄水道的水力特性。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

本文設(shè)計的階梯泄水道試驗裝置主要由以下幾部分組成：水泵電機、進水管道、矩形水箱、階梯泄水道主體模型、U形尾水渠道、 直角三角形薄壁堰和矩形薄壁堰、量水堰、地下回流系統(tǒng)等。 階梯泄水道主體模型主要包括3部分：水平進口段、階梯消能段和出口明渠段， 主要采用有機玻璃材料制作， 材料透明，便于觀察水流流態(tài)和測量相關(guān)水力參數(shù)，如圖1。

圖1 實驗裝置示意圖

階梯泄水道采用無壓進口，模型長約8.00 m，高1.58m （其中階梯總跌落高度為1.08m）。 水平進口段長0.80m，進口斷面尺寸為0.15m×0.50m（寬×高）。 階梯消能段共11級階梯組成，階梯沿程均勻布置，階梯尺寸始終保持不變，單級階梯長度a=0.45m，階梯高度為b=0.09m， 底坡坡度為i=1∶5， 泄水道寬度w=0.15m。 出口明渠段長度為2.25m，出口斷面尺寸與入口斷面一致。U形尾水渠道寬度為1.00m，針對不同的來流流量， 尾水渠道出口處設(shè)置了直角三角形薄壁堰（用于小流量情況）和矩形薄壁堰（用于大流量情況），堰高均為0.40m。

1.2 實驗方法

本文共設(shè)計了3個實驗方案，如表1。 方案M21為傳統(tǒng)型階梯泄水道，M22為突縮式窄縫階梯泄水道，M23為漸縮式窄縫階梯泄水道，其中M22和M23均在第三、九和十一級階梯尾部（典型階梯）對稱布置側(cè)縮結(jié)構(gòu)。

表1 實驗方案

側(cè)縮結(jié)構(gòu)寬度均為2.5cm，厚度0.8cm，與泄水道等高，為50.0cm，典型階梯尾部出口寬度為10.0cm，其中漸縮結(jié)構(gòu)迎水斜面坡度為1∶1.5。通過方案對比，研究階梯泄水道的水力特性， 以及不同型式的側(cè)縮結(jié)構(gòu)對其水力特性的影響。

圖2 側(cè)縮結(jié)構(gòu)示意圖

時均動水壓強利用測壓管測量。基于流態(tài)觀察，選擇第九級階梯作為豎直方向壓力分布的研究對象，在側(cè)縮結(jié)構(gòu)迎水面中線布置豎向測壓點，研究不同型式側(cè)縮結(jié)構(gòu)迎水面的時均動水壓強分布情況。

對于階梯泄水道水力特性研究，結(jié)果分析時，來流流量統(tǒng)一采用無量綱參數(shù)， 相對臨界水深hc/b表示，其中臨界水深：

式中 qw為單寬流量 （m2/s），qw=Q/w2，w2為階梯泄水道寬度（m）；g為重力加速度（m/s2）。

2 結(jié)果與討論

2.1 水流流態(tài)描述

2.1.1 傳統(tǒng)型階梯泄水道（方案M21）

隨著工作水頭的增大，階梯泄水道中依次呈現(xiàn)3種典型水流流態(tài)：跌落水流、過渡水流和滑行水流。小流量情況下（即水流呈跌落流態(tài)時），泄水道階梯面尾部區(qū)域出現(xiàn)一定水位壅高，但未出現(xiàn)水躍現(xiàn)象。

2.1.2 突縮式窄縫階梯泄水道（方案M22）

小流量情況下（hc/b2=0.45），典型階梯上的水流呈跌落水流和水躍的組合流態(tài)。 水流在流經(jīng)典型階梯尾部斷面時，一方面，由于突縮結(jié)構(gòu)的阻礙，表層水流回轉(zhuǎn)，形成水翅，水翅與來流碰撞、摻混強烈，降低了水流流速；另一方面，突縮結(jié)構(gòu)使得過流斷面束窄，導致階梯尾部水深增大，水流流速降低，水流由急流變?yōu)榫徚鳎纬裳蜎]水躍。第三級階梯處的突縮結(jié)構(gòu)使得其后跌落水舌厚度明顯增加， 且水舌內(nèi)緣三角區(qū)中的回水深度增大， 起到了很好的預摻氣效果。 水流能量消散主要通過跌落水舌沖擊階梯水平面，及典型階梯尾部水躍區(qū)摻混。

大流量情況下（hc/b2=1.51），典型階梯上的水流呈滑行射流和水躍的組合流態(tài)。 表層水流以急流的方式向前流動，在典型階梯的出口斷面，因突縮結(jié)構(gòu)的阻礙，水流回旋，水面壅高，形成淹沒水躍。水舌內(nèi)外緣明顯拉開，并逐漸形成挑流流態(tài)，水舌外緣挑距達1～2個臺階水平面長度， 并沖擊滑行水流表面，增強了水氣摻混，消能效果顯著。

圖3 方案M22水流流態(tài)示意圖

2.1.3 漸縮式窄縫階梯泄水道（方案M23）

小流量情況下（hc/b2=0.43），典型階梯上的漸縮結(jié)構(gòu)使水流在收縮段匯聚、碰撞，水流很不穩(wěn)定，豎直方向上激起斷斷續(xù)續(xù)的水股。水流能量消散主要通過跌落水舌沖擊階梯水平面，以及水股間相互碰撞、摻混。

隨著流量繼續(xù)增大（hc/b2=1.56），典型階梯尾部水舌流速較大，受慣性作用水舌縱向展開，呈擴散型流態(tài)。水舌滑出漸縮結(jié)構(gòu)后，在重力和空氣阻力的共同作用下，其外緣發(fā)生強烈的紊動，摻氣充分，且橫向擴散比較明顯，水舌頂部寬度明顯增大。第十一級階梯上，水流呈跌落水流和水躍的組合流態(tài)，水體基本呈乳白色，摻混效果顯著。

圖4 方案M23水流流態(tài)示意圖

從流態(tài)的特性角度，相比于傳統(tǒng)階梯泄水道的3種典型流態(tài)，增設(shè)側(cè)縮結(jié)構(gòu)的階梯泄水道，能夠形成跌落和淹沒水躍的組合流態(tài)，在兩者的共同作用下，具有較好的摻氣效果和消能效果。

2.2 消能特性

圖5是方案M21-M23消能率η和相對臨界水深hc/b的變化關(guān)系圖。 由圖可知，側(cè)縮結(jié)構(gòu)能夠較好地改善階梯泄水道的消能效果，尤其是大流量情況下，消能率增幅明顯，如當相對臨界水深hc/b2=3.0時，η2比η1提升近13.8%，η3比η1提升近14.9%。 總體而言，對于階梯泄水道，增設(shè)側(cè)縮結(jié)構(gòu)對提高其消能效果具有積極意義。

圖5 消能率η和相對臨界水深hc/b的關(guān)系

2.3 時均動水壓強（M22和M23）

如圖6， 縱坐標是無量綱時均動水壓強P2=p/b2，橫坐標Y3=y3/c2，Y4=y4/c2。 p是測點的測壓管壓力水頭；階梯跌落高度b2=0.09m；y3（y4）是測點從階梯底板上表面起點，沿突縮結(jié)構(gòu)（漸縮結(jié)構(gòu)）迎水面中線豎直方向的位置（m）；階梯泄水道邊壁的高度c2=0.5m。

圖6 側(cè)縮結(jié)構(gòu)迎水面時均壓強分布曲線

由圖6可知，相同來流條件下，同一級階梯位置，且距底板相同高度的測點處， 漸縮結(jié)構(gòu)迎水面時均動水壓強比突縮結(jié)構(gòu)的小，說明相比于突縮結(jié)構(gòu)，水流作用在漸縮結(jié)構(gòu)迎水面上的沖擊力更小， 排泄更為流暢。

3 結(jié)語

研究發(fā)現(xiàn)， 在設(shè)置突縮結(jié)構(gòu)的階梯面上可形成跌落流動和水躍的組合流態(tài)； 在設(shè)置漸縮結(jié)構(gòu)的階梯面上可形成擴散型流態(tài)， 以及跌落流動和水躍的組合流態(tài)。這些特殊的流態(tài)形式，加強了泄水道中的水氣摻混， 有效地提高了階梯泄水道的摻氣效果和消能效果，減小了水流的總能量，降低了流動速度及階梯泄水道發(fā)生空化空蝕的風險。相比于突縮結(jié)構(gòu)，漸縮結(jié)構(gòu)迎水面時均動水壓強更低， 即水流對漸縮結(jié)構(gòu)迎水面的沖擊力更小，水流排泄更流暢。 因此，增設(shè)漸縮結(jié)構(gòu)可作為提高階梯泄水道摻氣效果和消能效果的一項有效措施。