王文兵,邱 勇, 周鑫宇, 吳錦鋼, 劉泰明

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

通訊作者：邱 勇(1971—)，男，云南會澤人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為工程水力學(xué)，E-mail:13108854817@126.com。

隨著水資源的持續(xù)開發(fā)利用，樞紐布置難度日趨加大[1]，泄水建筑物出口不得不正對山體或與下游河道斜交，傳統(tǒng)的直線形底流消能需要一定的池長和池深以平順銜接下游水流，難以適應(yīng)地形條件的變化。針對下游水深不足(ht

1 降低護坦式底流消能

研究依托某實際工程(水頭差2.40 m，泄水建筑物和消力池之間通過i=1∶1.5和α=3°的擴散段連接)進行模型設(shè)計。結(jié)合實際地形地質(zhì)條件，確定模型消力池長950 mm(其內(nèi)等間距布置8個測點)，寬200 mm，為了避免過大開挖影響岸坡穩(wěn)定，池深僅考慮50 mm(見圖1)，尾水渠為平坡。

圖1 消力池結(jié)構(gòu)體型圖(單位：mm)

對于流量Q=8 L/s，入射水流沿底板急速前進，由于下游水深不足，水流發(fā)生遠驅(qū)式水躍，躍前斷面遠離消力池進口達480 mm(消力池出口尾水渠臨底流速1.93 m/s)，消力池長度明顯不足(見圖2)。

流量Q=8 L/s時，可以通過計算得到平底自由水躍長度為1 360 mm。由此可見，在池長(950 mm)不足情況下，即便降低護坦深度(50 mm)，消力池也不容易滿足消能要求。

圖2 降低護坦式消力池水流流態(tài)(Q=8 L/s)

2 鉛直格柵對消力池池長的影響

為了改善消能效果，在消力池內(nèi)增設(shè)鉛直格柵：格柵寬200 mm，高100 mm，柵孔直徑為20 mm，開孔率為28%[11]，呈3行6列均勻等間距布置。鉛直格柵特性(見表1)，格柵體型(見圖3)。

表1 鉛直格柵特性表

圖3 鉛直格柵體型圖(單位：mm)

鉛直格柵布置于消力池中部位置(Q=8 L/s)，入射水流受格柵阻擋，在柵前形成強烈的碰撞，其中一部分沿格柵豎直爬升，形成上涌水突，最大高度幾為鉛直格柵的2倍；另外一部分經(jīng)柵格切割，過柵后和翻越格柵的跌落水突混摻，在300 mm范圍內(nèi)形成比較大的擾動，消力池出口水流跌落明顯(見圖4)。

圖4 消力池水流流態(tài)圖(鉛直格柵布置方案)

將格柵前移至距離消力池進口1/4池長處，盡管柵后水流流態(tài)有改善，但柵前水流的紊亂程度及上涌水突高度都進一步增大；格柵后移至距離消力池進口3/4池長位置，水突高度未見明顯變化，且柵后水流來不及調(diào)整，加劇了下游尾水的涌動。

3 Γ形格柵對消力池池長的影響

針對鉛直格柵方案中極為嚴重的上涌水突現(xiàn)象，將鉛直格柵改進為Γ形格柵。Γ形格柵長110 mm，寬200 mm，高110 mm，開孔率與鉛直格柵相同。Γ形格柵特性(見表2)，格柵體型(見圖5)。

采取與鉛直格柵同樣的布置方式，得到3組試驗方案：Γ形格柵分別位于消力池中部位置(方案1)、距離1/4池長位置(方案2)和3/4池長位置(方案3)。針對消力池水流流態(tài)、格柵前后動能衰減、消力池底板時均壓強及弗汝德數(shù)Fr研究流量變化的影響。

表2 Γ形格柵特性表

(a)Γ形格柵橫斷面圖

(b)A(B)視圖

3.1 消力池水流流態(tài)

3.1.1 水流結(jié)構(gòu)分區(qū)

結(jié)合水流形態(tài)對消力池內(nèi)水流進行結(jié)構(gòu)分區(qū)[12]：淹沒射流區(qū)、潛射水流區(qū)、上涌水突、回淹水流區(qū)(見圖6)。

3.1.2 消力池水流流態(tài)

如圖7所示，當Γ形格柵置于消力池中部位置(方案1)時，潛射水流在豎直格柵阻攔下，和鉛直格柵一樣，都能夠形成向消力池進口翻滾的回淹水流，并與淹沒射流、潛射水流相互摩擦、混摻和剪切，水流紊動大；同時，由于水平格柵的作用，上涌水突現(xiàn)象基本消失，消力池內(nèi)能夠形成一定的淹沒；柵后水流紊動減輕(柵后擾動長度近250 mm)，水流趨于平穩(wěn)，和下游尾水銜接良好。

圖6 消力池水流結(jié)構(gòu)圖

圖7 方案1 消力池水流流態(tài)圖(Q=8 L/s)

將Γ形格柵前移于消力池池長1/4位置(方案2)，淹沒射流對格柵的沖擊作用明顯增強，致使柵前水流紊動加劇，水平格柵的作用下降，水突依然明顯(見圖8)，過柵水流疊加上涌水突的跌落影響，流態(tài)變差，水流趨于平穩(wěn)的位置長度增大(柵后擾動長度超過350 mm)。

圖8 方案2 消力池水流流態(tài)圖(Q=8 L/s)

將Γ形格柵后移至消力池3/4池長位置(方案3)，柵前水面呈爬升狀，部分呈現(xiàn)遠驅(qū)式水躍形態(tài)，射流的部分動能消耗于池內(nèi)水體，過柵水流相對平穩(wěn)，但躍后斷面并未出現(xiàn)在消力池內(nèi)，對下游尾水存在不利影響(見圖9)。

綜上所述，將鉛直格柵改進為Γ形格柵后，可以有效削弱上涌水突；同時，由于格柵阻擋形成的回淹水流增加了柵前水深，摩擦、混摻、剪切作用增加，使得絕大部分動能得到衰減，在池深一定的條件下，對池長要求降低。相對而言，格柵置于消力池中部位置，既能滿足消能要求，也可以有效減小消力池長度。

圖9 方案3消力池水流流態(tài)圖(Q=8 L/s)

3.2 格柵前后水體動能變化

取不受淹沒影響的上游斜距消力池進口220 mm處為1-1斷面，不同試驗方案均選取格柵前后2-2斷面和3-3斷面，以及距離消力池出口69 mm處(測點8)的4-4斷面。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，計算得到格柵位置變化情況下的動能值(見表3)。

表3 不同試驗方案消力池射流動能變化(單位：J/L)

由表3知，消力池進口斷面單位水體動能均為19.85 J/L。對于方案2(格柵前置)，柵前單位水體動能為12.25 J/L，柵后單位水體動能為0.96 J/L，即柵前所形成的回淹水體對射流動能削減了7.60 J/L，格柵前后動能下降12.29 J/L，格柵自身對射流動能的折減達到了柵前水體的161.7%，未能充分利用水體自身進行消能。

對于方案3(格柵后移)，格柵前后單位水體動能變化僅占柵前水體動能削減量的2.2%，意味著柵前水體對射流的摩擦、混摻和剪切作用極為充分，但由于格柵位置已經(jīng)靠近消力池出口，柵后長度不足以調(diào)整過柵水流流態(tài)。

格柵置于消力池中部的方案(方案1)中，柵前單位水體動能2.63 J/L，由于格柵壅水所消耗的動能為17.22 J/L。一方面，該方案充分利用了柵前水體對射流的摩擦、混摻和剪切作用；另外一方面，格柵下游空間對水流的調(diào)整作用明顯，很好實現(xiàn)了和下游尾水的銜接。

3.3 底板時均壓強變化

水流以淹沒沖擊射流的方式進入消力池，時均動水壓強的變化可以反映消力池流速和水深的轉(zhuǎn)換情況。由消力池底板時均壓強分布圖可知(見圖10)，除了測點1位于沖擊區(qū)附近，其時均壓強疊加了射流流速水頭之外，不同試驗方案在格柵位置均出現(xiàn)時均壓強增大后逐漸趨于平緩的現(xiàn)象(格柵上游測點時均壓強數(shù)值上升)。其原因在于格柵位置的變化，對柵前潛射水流均形成強迫轉(zhuǎn)向，致使不同試驗方案的格柵前測點時均壓強回升，柵后水流壓強由于流速明顯下降趨于平穩(wěn)。消力池底板時均壓強的沿程變化和前述水流流態(tài)及動能變化一致。

3.4 弗汝德數(shù)Fr的變化對消力池池長的影響

弗汝德數(shù)Fr代表慣性力和重力的對比關(guān)系[13]，其變化能夠有效說明強迫水躍和下游尾水的銜接。方案1和不設(shè)格柵試驗方案躍后斷面弗汝德數(shù)Fr(見表4)。

圖10 消力池底板時均壓強分布圖

表4 格柵設(shè)置對弗汝德數(shù)Fr的影響(Q=8 L/s)

由表4知，設(shè)置格柵對躍后斷面的弗汝德數(shù)影響不大，但躍前斷面的弗汝德數(shù)下降明顯。此外，不設(shè)置格柵時的躍前水深為0.011 m，躍后水深計算值為0.170 m(下游出口尾水渠水深0.087 m)，增設(shè)格柵后的躍后水深為0.132 m(躍前水深0.016 m)，出口斷面流速0.52 m3/s。由此可見，增設(shè)格柵有效降低了柵后(躍后)斷面的水深，使得過柵水流很容易和下游水流平順銜接；此外，由于躍后水深減小，躍前斷面水深相應(yīng)增大，格柵對入池水流形成了淹沒，從而增強了入射水流的紊動和能量耗散，即共軛水深差值的減小降低了消力池池長。

4 結(jié) 語

當泄水建筑物出口正對山體或者下游與河道斜交，且限于地形條件，消力池布置池長受限時，可以通過增設(shè)格柵以縮短池長，同時避免開挖深度過大；單純設(shè)置鉛直格柵，能夠在一定程度上改善底流消能效果，但上涌水突現(xiàn)象嚴重，影響下游水流流態(tài)。將鉛直格柵改進為Γ形格柵，既可以有效削弱水突現(xiàn)象，又能平順銜接下游水流；格柵靠近消力池進口布置，能最大程度減少消力池池長，但柵前水流結(jié)構(gòu)長度較短，未能充分利用柵前水體進行消能，也加劇了上涌水突現(xiàn)象；格柵靠近消力池出口布置，格柵所形成的淹沒能夠有效消除入射水流能量，但柵后長度不足以調(diào)整過柵水流，致使尾水波動；格柵布置于消力池中部位置，可以在兼顧入射水流消能情況和流態(tài)調(diào)整(水突現(xiàn)象基本消失，和下游尾水平順銜接)的情況下，有效減小消力池池長。