不同流量下水工建筑物排水結(jié)構(gòu)消能研究

吳斯優(yōu)

(揭陽空港經(jīng)濟(jì)區(qū)水利水電工程技術(shù)管理服務(wù)中心，廣東 揭陽 522000)

消能是在泄水建筑物和落差建筑物中，防止或減輕水流對水工建筑物及其下游河渠等的沖刷破壞而修建的工程設(shè)施，其目的是為了消耗、分散水流的能量[1-2]。目前，排水管道水流消能的計(jì)算方法、水流消能結(jié)構(gòu)的選擇、水流湍流的消除等問題是水利工程重點(diǎn)研究的幾個關(guān)鍵問題。在修建水利工程時，必須要動態(tài)計(jì)算排水設(shè)施內(nèi)水流臨界參數(shù)的相對大小、水流能量消能結(jié)構(gòu)的位置[3-4]。同時，還要適當(dāng)選擇泄水設(shè)施水流消能設(shè)計(jì)方案，確定水流對構(gòu)筑物的動水應(yīng)力，開展新的排水構(gòu)筑物試驗(yàn)研究，并進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對此展開了部分研究。楊堂坤[5]針對大斗水庫V形橫向谷特點(diǎn), 對溢洪道整體布置和結(jié)構(gòu)體形的設(shè)計(jì)方案展開詳細(xì)計(jì)算和論證分析，結(jié)果表明，在大壩右側(cè)埡口處布置岸邊不設(shè)閘開敞式溢洪道的方案合理,各工況下消能和防沖刷效果良好。沈明等[6]通過水工模型試驗(yàn),對泄洪兼導(dǎo)流洞在不同水位下單孔、雙孔開啟的泄流能力進(jìn)行了驗(yàn)證,并對消能防沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，試驗(yàn)表明,出口雙孔弧門結(jié)構(gòu)可滿足泄流能力要求,消能防沖建筑物在消能效果和水流流態(tài)上都達(dá)到令人滿意的效果。王超逸[7]以澤雅水庫增設(shè)泄水隧洞工程為例,通過水工模型試驗(yàn),根據(jù)水力相似原理,著重研究水庫蓄水位101.97、97.97、59.97 m工況下兩種出口消能結(jié)構(gòu)(挑流消能、底流消能)水流流態(tài)對下游河床的沖刷情況，驗(yàn)證消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性, 并對比兩種消能形式的效果；陳平川[8]從消能形式選擇、消能工結(jié)構(gòu)尺寸擬定、消能參數(shù)計(jì)算及水工模型試驗(yàn)等方面,對頌東水電站泄洪消能進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。楊長春[9]等結(jié)合調(diào)洪計(jì)算成果得出泄洪洞與溢洪道按近3∶7比例聯(lián)合泄洪,均采用連續(xù)鼻坎挑流消能,泄流能力滿足要求,各工況下消能和防沖刷效果良好。

本文針對水工建筑物的消能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究不同水流條件下的水力參數(shù)和流動狀態(tài)動力學(xué)規(guī)律，同時短通道中水流的運(yùn)動動力學(xué)、場中的消能動力學(xué)以及連接處的過剩動能面積，研究成果可為相關(guān)水利工程提供參考。

1 消能設(shè)計(jì)方法分析

在現(xiàn)有水利和水電設(shè)施的運(yùn)行中，盡管給排水設(shè)施的設(shè)計(jì)相對簡單，但物理建模階段尺度大，因此結(jié)構(gòu)的可靠性高。當(dāng)建造一個實(shí)驗(yàn)裝置時，小尺寸能夠降低試驗(yàn)成本。但水流有一個自由表面，重力和摩擦力在其中起著重要作用，其收縮增加了表面張力和摩擦力對水流運(yùn)動的影響。為了克服這個影響，實(shí)驗(yàn)要求比例系數(shù)為50～60，水管中的流量系數(shù)值小于5%，水流量大于6.5 mm，并且水流表面的平滑度要求較高。在上述規(guī)定的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便在排水設(shè)施的水流性能研究中獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。此外，在水力性能研究的物理建模中，應(yīng)當(dāng)滿足幾何相似性條件、初始和邊界條件、與形成水流所涉及的力以及相對應(yīng)的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)定律。

根據(jù)研究人員大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究得到的結(jié)構(gòu)連接處外部水躍過程，建議在河床未受到?jīng)_刷的基巖處修建排水設(shè)施，以外部水力跳躍的形式連接到地表，同時也發(fā)現(xiàn)了大壩的缺點(diǎn)。其中一個主要缺點(diǎn)是水躍現(xiàn)象由幾種類型組成，結(jié)構(gòu)下部的水流在很小的范圍內(nèi)改變深度，所有類型的外部水躍都發(fā)生在該范圍內(nèi)。當(dāng)海灣以外部水力跳躍的形式連接時，水位波動遠(yuǎn)高于連接到盆地底部時的水位波動，導(dǎo)致水電站的能源生產(chǎn)效率降低，下部海灣的海岸沖刷強(qiáng)度增加。此外，排水系統(tǒng)下游安裝的水動力消能器效率低，以外部連接的形式實(shí)施外部連接液壓跳躍會降低操作模式，不會產(chǎn)生預(yù)期結(jié)果。

2 消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖1 水工結(jié)構(gòu)物

在研究開始時，研究了流量變化規(guī)律和不同消耗值下運(yùn)動模式的變化范圍。本研究的一個特點(diǎn)是在研究過程中，確保水躍現(xiàn)象的產(chǎn)生不是通過水流通道連接形成的，而是通過結(jié)構(gòu)的實(shí)際操作條件形成的。在此種情況下，研究對象主要由弗勞德數(shù)、水動力學(xué)參數(shù)、計(jì)算消能的動力學(xué)、水工建筑物相對大小決定。本文的水流速度是垂直測量的，同時水流監(jiān)控視頻與水文測量相結(jié)合測量，每個閘門頂部的水密度采用相同的顏色，以便詳細(xì)觀察水流運(yùn)動的變化。此外，試驗(yàn)中的水力參數(shù)包括耗水量Q，相對耗水系數(shù)K0(無量綱，耗水量與總流量之比)和平均流速v等，具體見表1。圖2為實(shí)驗(yàn)裝置圖。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為消耗量Q=3.90 L/s時的水流運(yùn)動。由圖3可知，安裝在下游排水結(jié)構(gòu)末端的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的水流呈現(xiàn)出單一過境流的形式，占據(jù)河道寬度的一半，此外在河岸一側(cè)還觀察到水循環(huán)的形成。水循環(huán)影響了水流的運(yùn)動，導(dǎo)致其在加固區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，水循環(huán)反向速度的最大值與過境流速的值相當(dāng)。逆流的最大流速比過境流的最大流速小50%～55%。圖4為消耗量Q=6.90 L/s時的水流運(yùn)動。由圖4可知，注水井中出現(xiàn)氣泡狀水躍，邊緣處的中壁被掩埋，河流的傳播是對稱的，在導(dǎo)流墻兩側(cè)形成強(qiáng)大的水循環(huán)。這些漩流開始擠壓兩側(cè)的過境流，最大流速為水循環(huán)最大流速的86%。此外，對水流垂直速度分析表明，結(jié)構(gòu)的下部沖擊力在盆地重新形成垂直速度圖，并在外部連接模式下呈現(xiàn)出湍流形式。

圖3 消耗量Q=3.90 L/s時的水流運(yùn)動

圖4 消耗量Q=6.90 L/s時的水流運(yùn)動

圖5為消耗量Q=10.07 L/s時的水流運(yùn)動。由圖5可知，在實(shí)驗(yàn)方案Ⅰ中，水流以與水沖擊壁平滑接觸的方式運(yùn)行；在實(shí)驗(yàn)方案Ⅱ中，水流直接越過結(jié)構(gòu)物。在這種情況下，主流沿著截面的墻壁移動，而在中心移動的水流不斷改變其方向，形成的小型水循環(huán)被推向封閉段，而大型水循環(huán)被推向排水結(jié)構(gòu)外端，并與該區(qū)域的主流匯合。圖6為消耗量Q=11.6 L/s時的水流運(yùn)動。在這兩種方案中，均形成了水循環(huán)核，并觀察到流動傳播。右岸水循環(huán)規(guī)模小于左岸水，被推至加固區(qū)；右岸的水循環(huán)較大，壓縮和變形了過境流，并觀察到相對于河流軸線向左移動。水循環(huán)和運(yùn)輸流量之間的差異為70%，排水結(jié)構(gòu)外端的流量降低至13%。水流開始從無障礙段和封閉段流入穿過結(jié)構(gòu)物的過境流。此外，水流被壓縮，導(dǎo)致流底部附近的平均速度增加。根據(jù)流量Q=13.87 L/s的混合方案結(jié)果(因篇幅原因未給出)，沿中間墻和河流5個部分的區(qū)域觀察到過境流。在右岸擋土墻區(qū)域觀察到較小的幾何尺寸水循環(huán)，在左岸加固區(qū)域形成較大的水循環(huán)。

圖5 消耗量Q=10.07 L/s時的水流運(yùn)動

圖6 消耗量Q=11.6 L/s時的水流運(yùn)動

此外還觀察到，由于大的水循環(huán)對過境流的影響，其動力軸是彎曲的。在第一個變量中，沿著河底流動的平均流速比表面流速高62%；在第二個變量中，平均流速比表面流速高73%。

4 結(jié) 論

本文針對水工建筑物的消能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了不同水流條件下的水力參數(shù)和流動狀態(tài)動力學(xué)規(guī)律，研究了短通道中水流的運(yùn)動動力學(xué)、場中的消能動力學(xué)以及連接處的過剩動能面積。研究成果表明，不同的流量下，水流的動力變化規(guī)律有明顯差別。當(dāng)消耗量Q=3.90 L/s時，逆流的最大流速比過境流的最大流速小50%～55%；當(dāng)消耗量Q=6.90 L/s時，注水井中出現(xiàn)氣泡狀水躍，邊緣處的中壁被掩埋，河流的傳播是對稱的，在導(dǎo)流墻兩側(cè)形成了強(qiáng)大的水循環(huán)；當(dāng)消耗量Q=10.07 L/s時，主流沿著截面的墻壁移動，而在中心移動的水流不斷改變其方向，形成的小型水循環(huán)被推向封閉段；而當(dāng)消耗量Q=13.87 L/s的混合方案結(jié)果(因篇幅原因未給出)，沿中間墻和河流5個部分的區(qū)域觀察到過境流。在右岸擋土墻區(qū)域觀察到較小的幾何尺寸水循環(huán)，在左岸加固區(qū)域形成較大的水循環(huán)。