聶艷華，王才歡，況曼曼

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010)

?

基于降雨分析的窄縫挑坎消能工水翅特性研究

聶艷華，王才歡，況曼曼

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010)

通過(guò)建立窄縫挑坎消能工物理模型，模擬研究出射水流的激濺水翅問(wèn)題。通過(guò)調(diào)整窄縫挑坎體型參數(shù)( 弗氏數(shù)Fr、收縮比β、挑角θ)以獲得不同出射水流條件，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析水翅的成因及其引起的降雨量區(qū)域強(qiáng)度變化趨勢(shì)，甄別影響水翅形成及其強(qiáng)弱變化的主要水力參數(shù)，總結(jié)其變化規(guī)律。研究表明，窄縫消能工水舌的外緣挑距和入水長(zhǎng)度均會(huì)隨著弗汝德數(shù)Fr的增加而增大，挑坎下游典型區(qū)域的雨量分布亦隨之發(fā)生變化；隨著窄縫收縮角的增大，急流沖擊波波角逐漸變小，水翅向岸邊擴(kuò)散的角度變小，沖擊波交匯點(diǎn)距離窄縫出口更近，降雨向岸邊擴(kuò)散的范圍也逐漸變?。淮送馐湛s比與水舌外緣挑距和入水長(zhǎng)度變化成反比。本研究成果可進(jìn)一步加深對(duì)窄縫挑坎消能工水力特性尤其是水翅形成機(jī)理的認(rèn)知，為工程實(shí)踐提供優(yōu)化依據(jù)。

窄縫挑坎;消能工；水翅；降雨強(qiáng)度；水力特性

1 研究背景

窄縫挑坎消能工在我國(guó)高壩建設(shè)中得到了廣泛的運(yùn)用，其相關(guān)水力學(xué)問(wèn)題也得到了大量的科學(xué)研究[1-4]。伴隨著眾多完建工程的正式運(yùn)行，有些在設(shè)計(jì)論證階段未充分發(fā)現(xiàn)或與試驗(yàn)研究不相符的問(wèn)題開(kāi)始顯露出來(lái)，其中以挑坎出射水流水翅的問(wèn)題較為典型，例如清江水布埡電站的左岸水翅拍打邊坡問(wèn)題[5]。關(guān)于水翅問(wèn)題，不少學(xué)者有過(guò)相關(guān)的研究，如：紀(jì)偉等[6]建立水工模型研究了泄洪洞中墩的水翅現(xiàn)象，認(rèn)為水翅現(xiàn)象與中墩的幾何參數(shù)和水面下凹深度和長(zhǎng)度有關(guān)。韓玙等[7]研究了大坡度臺(tái)階式溢洪道中的水翅現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)隨著溢洪道底坡的增大，水翅流量變化范圍變小、高度增加；但是隨著臺(tái)階尺寸的減小流量變化范圍縮小、高度降低；水翅的落點(diǎn)處,臺(tái)階面上壓強(qiáng)明顯增大。王川等[8]、郭瑾瑜等[9]都采用數(shù)值模擬的手段研究了溢洪道中墩水翅問(wèn)題，并進(jìn)行了消減措施研究?？偟膩?lái)說(shuō)，關(guān)于窄縫挑坎消能工水翅問(wèn)題的研究較少。本文通過(guò)建立系列模型，通過(guò)對(duì)影響窄縫挑坎水力特性的基本參數(shù)(弗汝德數(shù)Fr、收縮比β、挑坎挑角θ)進(jìn)行調(diào)整獲取試驗(yàn)基本工況，并根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)此3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)分別選取Fr為4～6；選取收縮比β分別為0.2,0.25和0.3；選取窄縫挑坎角θ分別為0°,-5°和-10°，進(jìn)行系列模擬，剖析其內(nèi)在機(jī)理。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型布置

試驗(yàn)由高壓水箱、窄縫泄槽單體模型以及下游水池組成，水池末端設(shè)有量水堰。具體模型布置如圖1、圖2所示。

圖1 窄縫消能工模型布置

圖2 雨量分布測(cè)量布置

2.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中選取收縮比β分別為0.20,0.25和0.30。挑坎挑角根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)一般選取0°～-10°，本試驗(yàn)中選取窄縫挑坎角θ分別為0°,-5°和-10°，來(lái)流弗汝德數(shù)Fr計(jì)算公式為

式中:Q為來(lái)流流量;B為斷面寬度;H為斷面平均水深。計(jì)算分別取Fr為4.1,4.7,5.3,5.9。

綜上，根據(jù)本試驗(yàn)水力參數(shù)弗汝德數(shù)Fr和體型參數(shù)收縮比β與挑坎挑角θ取值變化排列組合，共計(jì)36組試驗(yàn)工況，如表1所示。

表1 不同F(xiàn)r，θ，β取值排列組成試驗(yàn)工況

3 成果分析

3.1 水翅成因分析

一般認(rèn)為，窄縫側(cè)墻收縮引起的急流沖擊波交匯后提前起挑的水冠是產(chǎn)生水翅的直接來(lái)源。在急流沖擊波交匯點(diǎn)，收縮水流首次相遇，在此點(diǎn)碰撞的水流只受到下方的主體水流及前方水冠的作用，有一部分脫離主體水舌的高速水粒發(fā)生相對(duì)均勻的半球散射，但是由于水體粒徑太小而受到空氣阻力很大，在向四周射出后速度很快消散，還有受到邊墻約束的一部分水體則匯入主體水流拋射向下游，這部分水翅歸為無(wú)害水翅；此外，另有一部分水體越過(guò)邊墻并擊打在其散射范圍內(nèi)的相關(guān)建筑物上，雖然其強(qiáng)度不大但產(chǎn)生了連續(xù)性的沖擊，相對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的水工建筑物來(lái)講應(yīng)盡可能避免這種情況，此類水翅被劃作有危害的次生水翅。

在急流沖擊波交匯點(diǎn)到窄縫出口這段沿程增加的水冠，由于受到沿程逐漸雍高的主體水流和兩側(cè)沖擊波的作用向前方拋射出去，一部分水體提前起挑并以一定的角度朝岸坡方向斜射出去，其中部分水體沖擊岸坡，且其擊打強(qiáng)度與位置呈周期性變化，嚴(yán)重危害邊坡穩(wěn)定，這部分水翅歸為有害水翅。

綜上所述，由兩側(cè)急流沖擊波交匯后提前起挑引起的，最終打向岸坡的強(qiáng)度和方向均呈周期性變化的水體稱為有危害的水翅，也正是我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免產(chǎn)生的危險(xiǎn)因素。

對(duì)于水翅形態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡的研究，可以借助高速攝影等手段進(jìn)行追蹤描述，但歸根到底是要對(duì)水翅的落點(diǎn)和由擴(kuò)散水翅造成的降雨進(jìn)行觀測(cè)。因此，為定量分析水翅，筆者在挑坎下游降雨區(qū)域設(shè)定一個(gè)平面矩形區(qū)域用來(lái)觀測(cè)產(chǎn)生的降雨分布情況(圖3中矩形區(qū)域)，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了各工況下降雨等值線圖和三維圖。選取500 mm/h降雨等值線所包含區(qū)域(即降雨強(qiáng)度≥500 mm/h的區(qū)域，圖3中紅線與坐標(biāo)軸包圍區(qū)域)為典型區(qū)域進(jìn)行分析。

圖3 降雨強(qiáng)度等值線平面

圖中：xmin為降雨區(qū)域到窄縫出口段的最近距離；xmax為降雨區(qū)域到窄縫出口段的最遠(yuǎn)距離；ymax為降雨區(qū)域到主體水舌中心線的最遠(yuǎn)距離；x1為所選典型區(qū)域到窄縫出口段的最近距離；x2為所選典型區(qū)域到窄縫出口段的最遠(yuǎn)距離；Δy為所選典型區(qū)域的寬度。

試驗(yàn)中，定義參數(shù)A為水翅的擴(kuò)散系數(shù)，即：A=Δy/(x2-x1)，表示降雨分布的集中程度，其值越小表示降雨區(qū)域更靠近主體水舌，

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選θ= -5°時(shí)的降雨資料進(jìn)行分析，如表2、圖4所示。從圖表中可以看出:隨著Fr的增加，典型區(qū)域的雨量分布情況整體往下游發(fā)展；隨著β增大，水翅向岸邊擴(kuò)散的角度變小，降雨向岸邊擴(kuò)散的范圍逐漸變小，相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)也逐步變小。由此可見(jiàn)，擴(kuò)散系數(shù)A作為降雨分布的集中表現(xiàn)，其值越小，可以視作降雨越集中且靠近主體水舌，說(shuō)明窄縫收縮段內(nèi)的水冠相對(duì)趨于穩(wěn)定，分散的水翅影響范圍越小。因此，在其他條件相當(dāng)?shù)那闆r下，理論上擴(kuò)散系數(shù)越小越有利。

表2 θ= -5°時(shí)降雨特征值

圖4 θ=-5°時(shí)降雨強(qiáng)度分布

以上述分析為基礎(chǔ)，對(duì)各工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別比較時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，由表3可知，第33—36組工況下，即θ=-10°,β=0.3情況下，不同的Fr條件下的擴(kuò)散系數(shù)均小于0.3，降雨區(qū)域非常集中，即在上述工況下，消能工水翅對(duì)下游兩側(cè)護(hù)岸的威脅最小。

表3 第33—36組工況降雨特征值(θ=-10°)

3.3 急流沖擊波與水翅的相互關(guān)系

前面已經(jīng)分析過(guò)急流沖擊波是窄縫水翅形成的主要原因，但兩者之間是怎樣的影響關(guān)系，截止目前鮮有相關(guān)論著文章發(fā)表。本文結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程中急流沖擊波和下游水翅形成降雨的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析。

表4給出了各工況下急流沖擊波的特征值(波角ψ)、主體水舌特征值(外緣挑距L和入水長(zhǎng)度S)和水翅特征值(典型區(qū)域距窄縫出口段距離最近距離x1和擴(kuò)散系數(shù)A)。

表4 各工況下急流沖擊波、主體水舌和水翅特征值(θ=-10°)

根據(jù)對(duì)所測(cè)工況的分析，我們可以得到以下認(rèn)識(shí)：①在一定的體型參數(shù)下，來(lái)流弗汝德數(shù)的增加會(huì)增大窄縫消能工的外緣挑距和入水長(zhǎng)度，并使水翅擴(kuò)散形成的降雨區(qū)向下游發(fā)展；②窄縫收縮比越大，相應(yīng)的急流沖擊波波角越小，相應(yīng)的沖擊波交匯點(diǎn)距離窄縫出口段越近，水翅擴(kuò)散形成的降雨區(qū)越有向下游發(fā)展的趨勢(shì)；③收縮比與水舌外緣挑距和入水長(zhǎng)度變化成反比，在θ=-10°時(shí)，水舌的外緣挑距和入水長(zhǎng)度較大，擴(kuò)散系數(shù)較小，在此條件下當(dāng)β=0.3時(shí)擴(kuò)散系數(shù)A≤0.25，能夠得到較好的水舌形態(tài)和水翅形態(tài)。

4 結(jié) 論

窄縫挑坎消能工的水翅問(wèn)題近年來(lái)受到廣泛關(guān)注，關(guān)于其形成機(jī)理的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，本文通過(guò)建立物理模型開(kāi)展系列對(duì)比試驗(yàn)，從降雨觀測(cè)的角度出發(fā)，對(duì)水翅的分布特性及其與窄縫急流沖擊波的關(guān)系進(jìn)行了分析研究。研究表明：隨著弗汝德數(shù)Fr的增加，窄縫消能工的外緣挑距和入水長(zhǎng)度均會(huì)增大，且挑坎下游典型區(qū)域的雨量分布情況整體往下游發(fā)展；隨著β增大，相應(yīng)的急流沖擊波波角越小，水翅向岸邊擴(kuò)散的角度變小，相應(yīng)的沖擊波交匯點(diǎn)距離窄縫出口段越近，降雨向岸邊擴(kuò)散的范圍逐漸變小，相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)也逐步變小；此外，收縮比與水舌外緣挑距和入水長(zhǎng)度變化成反比，在θ=-10°時(shí)，水舌的外緣挑距和入水長(zhǎng)度較大，擴(kuò)散系數(shù)較小，在此條件下當(dāng)β=0.3時(shí)擴(kuò)散系數(shù)A≤0.25，能夠得到較好的水舌形態(tài)和水翅形態(tài)，為所有窄縫體型中的最佳方案，特別是在實(shí)際工程中，當(dāng)邊孔采用窄縫消能工時(shí)，θ=-10°和β=0.3時(shí)的窄縫體型應(yīng)優(yōu)先考慮。

[1] 陳忠儒.窄縫式消能工的水力特性及其體型研究[J].水利水電科技進(jìn)展,2003,23(2):25-29.

[2] 杜 蘭,黃國(guó)兵,許學(xué)問(wèn).窄縫挑坎水力特性三維數(shù)值模擬研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2013,30(6):43-46.

[3] 陳規(guī)劃,王均星.窄縫消能工水力特性數(shù)值模擬[J].人民珠江,2010,(5):31-35.

[4] 黃秋君,吳建華.收縮式消能工的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,36(2)：220-223.

[5] 王才歡,侯冬梅,王思瑩，等. 高水頭大流量岸邊溢洪道窄縫消能工研究與實(shí)踐[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào),2012,31(1):123-128，139.

[6] 紀(jì) 偉,吳建華,阮仕平. 泄洪洞中墩水翅現(xiàn)象的試驗(yàn)研究[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,35(1):18-21.

[7] 韓 玙,馮瑞林,田嘉寧,等. 大坡度臺(tái)階式溢洪道中的水翅現(xiàn)象[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào),2006,25(1):114-118.

[8] 王 川,戴光清,楊 慶,等. 溢洪道中墩水翅的消減研究[J].水電能源科學(xué),2010, (3):77-80.

[9] 郭瑾瑜,王均星. 溢洪道中墩水翅的數(shù)值模擬[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版) , 2013,46(5):572-576.

(編輯：趙衛(wèi)兵)

Research on the Characteristics of Water Wing of Slit-typeEnergy Dissipator Based on Rainfall Analysis

NIE Yan-hua, WANG Cai-huan, KUANG Man-man

(Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

A physical model of slit-type energy dissipator was built to study the water wing through adjusting the shape parameters (Froude numberFr, contraction ratioβ, and pick angleθ) to obtain different jet flow conditions. The changes of precipitation intensity and the causes of water wing were analyzed through comparison, and the hydraulic factors which affect the water wing formation and its intensity variation were summarized. Results indicate that the peripheral jet trajectory length and dived length of water tongue increased with the increasing ofFr,and the rainfall distribution in typical areas downstream the bucket changed in correspondence. Moreover, with the increase of contraction angle, shock wave angle became small; the diffusion angle of the water wing to shore was also smaller; the intersection of shock waves became closer to the outlet of narrow slit; and correspondingly the range of rainfall diffusion also decreased. In addition, the contraction ratio was inversely proportional to the peripheral jet trajectory length and dived length of water tongue. The research couldenrich the understanding of hydraulic characteristics, in particular, the water wing formation mechanism of the slit-type energy dissipation and provide basis for the optimization of projects.

slit-type flip bucket; energy dissipator; water wing; rainfall intensity; hydraulic characteristics

2015-09-30；

2016-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279013，51379020，51509015)；長(zhǎng)江科學(xué)院中央級(jí)公益性科研院所基本科研項(xiàng)目(CKSF2014042/SL，CKSF2014044/SL)

聶艷華(1983-)，男，湖北荊門(mén)人，工程師，碩士，研究方向?yàn)檩斔{(diào)度，(電話)18627897189(電子信箱)yuanauy111@126.com。

10.11988/ckyyb.20150827

2017,34(1):67-70

TV131.65

A

1001-5485(2017)01-0067-04