防洪壩潛躍條件下地埋式消力池水力設計

葛慶斌

(費縣水利工程保障中心,山東 臨沂 273400)

0 引 言

消力池是位于大壩底部出水口、斜槽和涵洞下方的水工結構[1-2]。這種結構的主要目的是消散流出的多余能量,以減少河流系統中出現不良沖刷的風險。以往關于地下消力池中的水躍研究可分為3大類:僅在水槽寬度突然增大時的水躍;僅在河床處突然下降;以及突然膨脹和突然下降的組合。而對突擴突降水躍的研究大多是通過調節(jié)尾水位進行的,但與實際情況相差甚遠;在目前的研究中,沒有對尾水進行控制,水躍是由端檻強制的,與實際情況類似。但仍解決受限復雜結構內的強制水躍問題[3-5]。

本研究通過實驗研究了消力池中強制水躍的水力特性,并嘗試在不同的水力和幾何條件下對其可能的流動模式進行分類。利用實驗結果,提出了一種基于消力池下游水流要求的消力池內強制淹沒水躍的設計方法。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

文章構建的模型是由一個寬0.5m、深0.5 m、長9 m的水平矩形水槽組成。在整個模型中,使用離心泵支持循環(huán)水系統。上游供水箱配備了一個校準的90°V形切口堰。采用點規(guī)測量了V形槽堰上方的水頭,然后使用平均時間體積法得到水頭與相應流量之間的關系。在主蓄水池內部安裝了兩個穿孔板,以實現底部出口的層流流出流量;因此,厚度等于底部出口的均勻超臨界流最終進入消力池[6]。模型設置的側面和平面示意圖,如圖1所示。

圖1 模型設置的側面和平面示意圖

1.2 實驗測量

所有實驗的基本數據收集過程都是相同的。從消力池的側面和平面視圖拍攝數碼照片,并使用高分辨率數碼相機記錄視覺觀察。使用水位計測量整個消力池的水深及其波動,水位計的采樣頻率設置為50 Hz。使用電磁流量計在不同的橫截面和縱截面上測量速度的三維分量。在每個截面上以2.5 cm間隔測量流速。

2.3 實驗條件

實驗采用了不同的消力池幾何形狀:消力池長度(L=75、100和125 cm)、跌落高度(s=5、10和15 cm),所有實驗的消力池寬度相同,即為水槽寬度B=50 cm。對于不同的消力池幾何構型,系統地檢查了不同高度(he=0、4、8、12和13.5 cm)的端檻幾何構型,以獲得最佳情況。端檻垂直放置在正臺階上方,并垂直于水槽的縱軸。除了底部出口處3種不同的超臨界流弗勞德數(即Fr1=2.8、4.9和5.1),只檢查了底部出口的一個維度(h1=5cm和b1=10 cm),因此,得到了k=0.2(k=b1/B)的膨脹比,與防洪壩的平均實際膨脹比相似。表1顯示了本研究中考慮的實驗條件。

表1 實驗條件

2 結果與討論

2.1 地下消力池的消能效果

根據不同的歸一化參數繪制歸一化速度降低圖,以便更好地了解其對消力池內消散機制的影響。當Fr=2.8-5.1和s/h1=3時,消力池內的歸一化速度降低與L/B的周期性和穩(wěn)定水躍見圖2。

圖2 消力池內的歸一化速度降低與L/B的周期性和穩(wěn)定水躍

圖2顯示了作為歸一化消力池長度(L/B)的函數,截面I和II之間的歸一化速度降低U1-U2/U1。U1是初始出口速度,U2是端檻上游的最大速度。在短消力池情況下(L/B=1.5),端檻高度的變化會導致歸一化速度降低發(fā)生很大變化,然而,對于長消力池(L/B=2,3),端檻高度的變化會導致歸一化速度降低發(fā)生微小的變化。結果表明,與較長的消力池相比,較短的消力池中歸一化速度降低更多地取決于歸一化端檻高度he/hc。總體趨勢表明,增加歸一化消力池長度會增加速度降低的幅度。

2.2 地下消力池設計步驟

2.2.1 確定連續(xù)深度

綜上所述,考慮消力池的中等端檻和落差可以有效地降低流速。此外,這種端檻和落差的組合產生了穩(wěn)定淹沒流。因此,僅針對穩(wěn)定淹沒流提出設計準則。

為了計算強制淹沒水躍的連續(xù)深度h2,在忽略河床剪應力的情況下,截面I和II之間應用動量方程公式為:

(1)

Y23-(Y32+2Y3S+S2+2Fr12k)Y2+2Fr12k2=0

(2)

式中:Y2為歸一化序列深度,Y2=h2/h1,S為跌落數,S=s/h1,k為膨脹比,k=b1/B。

2.2.2 確定端檻高度

在水平軸上選擇端檻下游的期望弗勞德數(Fr4),再在垂直軸上找到相應的he/h4值。消力池下游h4處的水深可根據選定的Fr4和設計流量計算。端檻上的能量可使用臨界深度(hc)和端檻高度(he)來計算。若假設在端檻上自由落體流沒有能量損失,則消力池下游的能量等于端檻頂部的能量,如下式所示:

(3)

2.2.3 確定消力池長度

正確估計消力池長度(L)和端檻位置是至關重要的。如果端檻距離出口太近,則沒有足夠的空間來誘發(fā)水躍。消力池長度(L)可使用等式4獲得。

(4)

式中:HL為由于水躍引起的水頭損失;H1為落差面處的總水頭,可定義為:

(5)

2.2.4 確定跌落高度

可使用圖3中的穩(wěn)定水躍數據找到下落高度s。hc、L、B和he的已知值及與穩(wěn)定水躍數據擬合的線性方程可提供用于設計步驟的落差高度適當估計。

圖3 消力池幾何參數和水躍類型

2.2.5 消力池的擬議設計步驟

對于上游端為負臺階、下游端為端檻的消力池水平護坦,可提出以下設計步驟:

1)給定上游邊界條件,包括設計流量Q、底部出口尺寸b1和h1、接近弗勞德數Fr1和河道寬度B。

2)使用上游邊界條件計算臨界深度hc。

3)考慮到穩(wěn)定的淹沒水躍,選擇合適的he和L,然后選擇s。

4)在假設沒有能量的情況下,檢查從端檻下游獲得的水深h4和下游弗勞德數Fr4。如有必要,可通過考慮端檻上自由落體流的能量損失,使用計算修改后的h4。

5)重復步驟2～3,直到下游條件達到可接受水平。

3 結 論

文章研究了地下消力池(消力池)內的強制水躍。消力池內觀察到的流型分為五大類,其主要控制參數為端檻高度he和消力池長度L,而Fr1的變化對消力池內的流型和能量損失函數沒有顯著影響。并得出以下結論:

1)中等消力池長度與中等端檻高度(1.6

2)由于端檻上的自由落體流,高端檻可能會對下游速度產生負面加速。

3)消力池的中等深度對速度降低有積極影響,但進一步增加深度則對速度降低和設計成本均無好處。最佳跌落數會因弗勞德數的不同而不同,一般來說,弗勞德數越高,消力池越深。