交錯布置柱群前后水力特性探討

習 晨，王志國，段海浪，楊會朋，關 琨

（1.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038； 2.河北工程大學 河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038； 3.南水北調中線干線工程建設管理局 河北分局邯鄲管理處，河北 邯鄲 056006）

1 引 言

鑒于自然洪澇災害頻發，河道沖刷問題嚴重，為保護下游居民生活安全，可在河道內布置消能工以防止或減輕水流對下游建筑物的沖刷破壞。 目前已有許多學者采用物理模型試驗對河道中的消能工布置進行研究，如：胡江等［1］通過水槽動床試驗得出群樁繞流阻力損失系數隨樁的縱向排數的增加而迅速變大、水流能量損耗大幅度增加的結論；孫德旭等［2］通過建立彎段溢洪試驗模型得出彎段溢洪道中導流墩聯合糙條消能工對水流有顯著的導流效果、能夠有效改善水面結構的結論；孫桂凱等［3］利用經驗公式設計出的低坎分流墩消能工能夠有效改善下游水流流態，對下游水流表面削波效果顯著。 然而，在物理試驗中研究者通常采用流動可視化方法直觀地觀察水流流態，對于多圓柱繞流，采用此方法只能觀察水流表面流態，無法觀察水面以下的水流流態以及垂線流速的變化情況。 本文提出一種新型輔助消能工即交錯布置柱群，通過水槽試驗分析試驗區內沿程各斷面流速分布與各斷面沿水深流速分布，探討柱群布置后試驗區的水力特性變化情況，進而得出柱群的消能效果。

2 模型設計

模型試驗水槽長12.0 m、寬0.5 m、高0.5 m，由穩水段、試驗段及尾水段組成，槽底及側壁采用有機玻璃制作，模型布置見圖1。

圖1 模型布置

采用直徑2.0 cm、高11.0 cm 的白色尼龍棒制作柱群模型，將柱群固定在有機玻璃板上，采用二維及三維電磁流速儀測量各測速點的流速，柱群布置見圖2，柱群布置分為交錯、密集及稀疏3 種形式。 順水流方向（圖2 中箭頭指向）沿程布置6 個斷面（編號為cs1～cs6），各斷面間距為8.0 cm；在各斷面上布置9 條測速垂線（編號為1～9），距水槽左邊壁9.0 cm處布置第1 條測速垂線，依次向右邊壁每隔4.0 cm布置1 條測速垂線；自距渠底3.0 cm 處開始垂直向上每隔0.9 cm布置1 個測速點，直至距水面2.0 cm 處。

圖2 柱群布置形式

選取11 個試驗工況（見表1）對柱群的消能效果進行對比分析，試驗前將準備好的柱群板固定在試驗段，先調節來水流量Q，再利用水槽尾門調節水槽內初始控制水深h，最后進行斷面流速測量。 首先對交錯布置柱群前后的水力特性進行分析，再與密集、稀疏布置柱群進行對比，進一步驗證交錯布置柱群的消能效果。

表1 試驗工況

3 交錯布置柱群試驗結果及分析

3.1 沿程各斷面流速分布

為分析沿程各斷面流速分布情況，以交錯布置柱群為例，繪制不同來水流量和控制水深條件下斷面流速等值線，見圖3 ～圖5，圖中水平向右方向為順水流方向。 可以看出，隨著柱群順水流方向沿程排數的增加，整體上水槽內流速沿程減小且減小范圍呈扇形展開，流速沿橫向分布趨于均勻，同時流速等值線沿程由密到疏即流速變化速率減小，并且單柱迎水區流速比背水區流速大。 其原因是柱群前來水流量較大，水流運動遇到柱群時突然受阻，水流在穿過柱群時需要進行反復連續的繞流，受柱群之間縱橫方向的相互影響，進一步增強了柱群對水流的阻礙作用。 此外，同一來水流量下，隨著控制水深增加，柱群背水區流速色帶逐漸加深，流速逐漸減小，流速等值線逐漸稀疏，且柱群前后整體流速差逐漸增大。 同一控制水深下，隨著來水流量增大，水槽內沿程各斷面流速增大，柱群前后整體流速差逐漸減小，說明消能效果受來水流量和控制水深的影響。 在圖3（c）中，Q＝10 L／s、h＝13 cm 時柱群前后流速等值線色差最大，說明流速變化最大，在較小來水流量及較大控制水深條件下交錯布置柱群的消能效果最好。

圖3 Q＝10 L／s 時斷面流速等值線

圖5 Q＝12 L／s 時斷面流速等值線

以上分析結果證實了輔助消能工的加設可以使水流與之發生碰撞，不斷出現旋滾現象，改變水流運動形態以及水流流速梯度，進而使消能效果顯著［4］。

3.2 各斷面沿水深流速分布

選取柱群前cs1 斷面和柱群后cs6 斷面為典型斷面，分析交錯布置柱群前后斷面沿水深流速分布，見圖6，可以看出，隨著控制水深增加，斷面沿水深流速整體減小，cs6 斷面的流速始終比cs1 斷面的流速小。 相較于控制水深為13 cm 的試驗工況，控制水深為9 cm 和11 cm 時cs1 和cs6 斷面的流速分布較為均勻；當控制水深為13 cm 時，測速點水深大于11 cm 時cs6 斷面的流速逐漸增大并且大于cs1 斷面的流速，原因是當控制水深超過柱群高度時，會在有、無柱子阻擋水流的交界面處出現局部流速迅速增大并逐漸趨于穩定的現象。 綜上可得控制水深為13 cm 時，交錯布置柱群前后各斷面沿水深流速變化較明顯，因此控制水深較大時柱群的消能效果較好。

圖4 Q＝11 L／s 時斷面流速等值線

圖6 不同控制水深與來水流量下cs1 和cs6 斷面沿水深流速分布

3.3 消能率分析

消能率是表示消能效果的物理量，公式為

式中：E1、E2分別為cs1 和cs6 斷面的總能量。

各試驗工況下水流進入柱群前到出柱群后的消能率計算結果見圖7，可以看出，來水流量為10 L／s 和11 L／s 時，柱群的消能率隨控制水深的增加而增大；來水流量為12 L／s 時，控制水深由11 cm 增加到13 cm時消能率降低。 與來水流量為11 L／s 的試驗工況相比，來水流量為10 L／s 時柱群的整體消能率較大，因此并非來水流量越大，消能率就越大，消能率與來水流量和控制水深都有較大關系。 綜上可得來水流量越小、控制水深越高，消能率越大。

圖7 不同來水流量與控制水深下柱群的消能率變化情況

4 不同柱群布置形式的試驗結果及分析

在交錯布置柱群試驗中，來水流量為10 L／s、控制水深為13 cm 時柱群的消能效果較好，因此選擇3 號、10 號、11 號這3 種工況對不同柱群布置形式的柱群消能效果進行對比分析。

4.1 沿程各斷面流速分布

相同來水流量與控制水深條件下不同柱群布置形式的沿程各斷面流速分布見圖8，可以看出，交錯布置柱群中水槽內流速沿程遞減最快，其原因是下游柱子兩側流速受到上游柱子的分流影響使流速沿程變化明顯，且流速不斷疊加使下游流速分布較為均勻。 因此，相同來水流量與控制水深條件下交錯布置柱群的消能效果較好。

圖8 不同柱群布置形式的斷面流速等值線

4.2 各斷面沿水深流速分布

來水流量為10 L／s、控制水深為13 cm 時不同柱群布置形式下柱群前cs1 斷面和柱群后cs6 斷面沿水深流速分布見圖9，可以看出，cs1 斷面的流速分布較為均勻，測速點水深大于11 cm 時cs6 斷面的流速開始出現局部迅速增大現象且大于cs1 斷面的流速。 通過比較不同柱群布置形式的各斷面沿水深流速分布可知，交錯布置形式下cs1 斷面和cs6 斷面的流速相差較大，其次是稀疏布置，最后是密集布置。

圖9 不同柱群布置形式下cs1 與cs6 斷面沿水深流速分布

4.3 消能率分析

計算來水流量為10 L／s、控制水深為13 cm 時不同柱群布置形式下柱群的消能率，可得交錯布置、密集布置與稀疏布置形式下柱群的消能率分別為41.05%、27.53%、30.11%，表明相同控制變量下交錯布置柱群的消能效果優于密集布置柱群和稀疏布置柱群，這一結果與上述柱群交錯布置形式下流速沿程減小最為明顯且柱群前后沿水深流速相差最大的結果相符合。

5 結 論

（1）交錯布置柱群中水槽內流速整體沿程減小，單柱迎水區流速較背水區流速大，流速減小范圍呈扇形展開，流速等值線隨控制水深的增加由密到疏即流速變化速率減小。

（2）交錯布置柱群前后各斷面沿水深流速差隨控制水深的增大而減小，柱群后cs6 斷面沿水深流速比柱群前cs1 斷面沿水深流速小。 交錯布置柱群中較小來水流量及較大控制水深條件下柱群的消能效果最好，但當控制水深超過柱群高度時會出現局部流速迅速增大并逐漸趨于穩定的現象。

（3）相較于密集布置柱群和稀疏布置柱群，較大控制水深條件下交錯布置柱群的沿程各斷面流速和各斷面沿水深流速變化較明顯，其消能效果最好。