張 靖，滕曉敏，張慶華

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

在溢洪道彎道布置斜檻是改善彎道水流的工程措施之一，利用斜檻可以對(duì)彎道中流動(dòng)的水流特性進(jìn)行調(diào)整，比如消減沖擊波，減小橫斷面上的水位差等。國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了較多的研究，取得了較為豐富的研究成果。Knapp[1]首次提出在彎道底部沿渠底橫向設(shè)置與水流方向呈一定角度的斜墻(即斜檻)來(lái)調(diào)整彎道水流，用來(lái)降低彎道凹凸岸水面差；陳鑫蓀[2]為解決輸水洞彎道急流中出現(xiàn)的沖擊波，提出用多排斜檻迫使彎道內(nèi)的高速水流轉(zhuǎn)向，以此來(lái)抵消沖擊波的形成；楊玲霞等[3]對(duì)斜檻的形狀進(jìn)行改進(jìn)，用梯形斷面的斜檻來(lái)調(diào)節(jié)彎道水流中的水流運(yùn)動(dòng)與流場(chǎng)分布；吳宇峰等[4]探討了不同斜檻參數(shù)因素對(duì)導(dǎo)流效果的影響；張領(lǐng)護(hù)[5]結(jié)合實(shí)際工程對(duì)彎道內(nèi)布置不同條數(shù)的斜檻、不同斜檻布置角度的彎道水流調(diào)整效果進(jìn)行了研究；魏明方等[6]在鳳凰水庫(kù)采用了導(dǎo)流墻與渠底抬高綜合的方法，改善彎道各斷面的動(dòng)量分配，減小了因急流彎道而形成的沖擊波作用；余雄杰等[7]在鳳凰水庫(kù)溢洪道中泄槽彎道1/4、2/4、3/4處布置了3條角度為50°的斜檻，試驗(yàn)表明使用此方法可以明顯改善彎道水流；周勤等[8]用數(shù)值模擬方法對(duì)彎道采用斜檻結(jié)合斜底方案的水流改善效果進(jìn)行了模擬和探討；張潔[9]在改善溢洪道彎道水流措施中，研究了在彎道均勻布置5條角度為45°的斜檻對(duì)彎道水流的改善效果；周星等[10]以某核電站廠區(qū)山洪消能工程為例，探討了斜檻的間距、角度等影響斜檻設(shè)計(jì)的因素，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了合理的斜檻設(shè)計(jì)方法；王鑫等[11]比較了布置5道矩形與梯形斜檻的彎道流態(tài)調(diào)整效果，認(rèn)為矩形斜檻優(yōu)于梯形斜檻；Pagliara等[12]通過(guò)物理模型試驗(yàn)，研究了堆石形成的斜檻的水流特性，并對(duì)沖刷效果進(jìn)行了研究；張婧等[13]通過(guò)對(duì)不同形狀結(jié)構(gòu)體對(duì)河道水流在占寬度比、阻流面積比和阻流流量比等方面的影響進(jìn)行了研究；滕曉敏等[14-15]對(duì)溢洪道泄槽彎道布置透水斜檻的水流特性及水流改善效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

以上研究表明，斜檻是改善溢洪道彎道水流條件的有效工程措施之一。但由于不透水斜檻在高速水流情況下，斜檻背水一側(cè)可能出現(xiàn)無(wú)水低壓區(qū)，發(fā)生氣化現(xiàn)象，從而造成對(duì)斜檻的破壞[16]。因此，本文提出了透水斜檻，并對(duì)彎道水流改善效果進(jìn)行了初步分析[15]。在此基礎(chǔ)上，分析檻高、斜檻透水率、斜檻條數(shù)對(duì)彎道水流改善效果的影響，為進(jìn)一步研究透水斜檻及其工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭黧w為溢洪道泄槽，包括上下游直段和彎道段。模型泄槽采用矩形斷面，凈寬b=500 mm，彎道中心線半徑R=1 200 mm，中心角為71.62°，底坡為0.02。透水斜檻在彎道段等間距布置，斜檻軸線與彎道半徑角度為45°。透水斜檻方案設(shè)計(jì)考慮的因素包括斜檻條數(shù)、檻高、斜檻透水率(斜檻透水孔面積與斜檻面積之比)等，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1，其中檻高h(yuǎn)=20 mm、30 mm、40 mm分別為低檻、中檻、高檻方案，方案16彎道段不采用任何工程措施，為對(duì)比方案。圖1為5條透水斜檻布置示意圖。透水斜檻為矩形斷面，長(zhǎng)度為710 mm(與彎道凹凸岸不連接)，厚度為10 mm，采用圓形透水孔，透水孔徑見(jiàn)表1。

圖1 溢洪道彎道斜檻布置(單位：mm)

表1 透水斜檻試驗(yàn)方案

1.2 試驗(yàn)測(cè)量

a.水位測(cè)量。模型段垂直水流方向設(shè)置17個(gè)測(cè)量橫斷面(圖2)，其中彎道段均勻布置13個(gè)橫斷面，斷面編號(hào)為3—3、4—4、…、15—15。沿水流方向?qū)ΨQ布置5條縱向測(cè)線(A—A、B—B、…、E—E)，包括泄槽底板中心線、距中心線兩側(cè)1/4槽寬處、左右邊墻處縱橫斷面的交點(diǎn)為水位測(cè)點(diǎn)。水位測(cè)量采用重慶華正水文儀器有限公司生產(chǎn)的SX40-1型數(shù)顯水位測(cè)針。

圖2 水位測(cè)點(diǎn)布置

b.試驗(yàn)流量。每個(gè)試驗(yàn)方案的5種流量分別為50 m3/h、80 m3/h、100 m3/h、120 m3/h和150 m3/h，試驗(yàn)流量滿足溢洪道泄槽水流為急流的條件，即不設(shè)置斜檻時(shí)，溢洪道彎道開始處的弗勞德數(shù)Fr大于1.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 分析指標(biāo)

以彎道水面均勻度、彎道水面均勻度提高率、彎道橫斷面最大水面差及彎道橫斷面最大水面差減少率4個(gè)指標(biāo)分析透水斜檻參數(shù)對(duì)彎道水流改善效果的影響[13-15]。

彎道水面均勻度按下式計(jì)算：

(1)

(2)

彎道水面均勻度提高率按下式計(jì)算：

(3)

式中：fc為彎道水面均勻度提高率；fcj為第j個(gè)橫斷面的水面均勻度提高率；fwej、fwnj分別為有、無(wú)斜檻情況下第j個(gè)橫斷面水面均勻度。

彎道橫斷面最大水面差按下式計(jì)算：

Δhm=max|hj1-hj2|

(4)

式中：Δhm為彎道橫斷面凹凸岸最大水面差；hj1、hj2分別為彎道第j個(gè)橫斷面處凹、凸岸水深。

彎道橫斷面最大水面差減少率按下式計(jì)算：

(5)

式中：fd為彎道橫斷面最大水面差減少率；Δhme、Δhmn分別為有、無(wú)斜檻情況下彎道橫斷面最大水面差。

2.2 水面均勻度、水面均勻度提高率、最大水面差減少率影響分析

依據(jù)各方案5種流量下測(cè)量斷面測(cè)點(diǎn)水深的試驗(yàn)結(jié)果，得到各試驗(yàn)方案的水面均勻度、水面均勻度提高率、最大水面差減少率，見(jiàn)表2。由表2可知：①各種透水斜檻條件下彎道水面均勻度均大于無(wú)斜檻條件，水面均勻度提高率及最大水面差減少率均大于0；②彎道布置透水斜檻后水面均勻度介于86.6%～94.4%之間，水面均勻度相比之前提高了16.9%～40.5%，最大水面差減少率超過(guò)25.9%。說(shuō)明彎道布置透水斜檻能夠改善彎道水流，使彎道水流更加均勻，因此彎道設(shè)置透水斜檻是可行的。

表2 不同斜檻條數(shù)、不同檻高下的水面改善效果

2.2.1斜檻條數(shù)的影響

依據(jù)表2可知：①最大水面差減少率隨著彎道布置斜檻數(shù)量的增加而增加；②斜檻條數(shù)對(duì)均勻度和提高率影響較小，對(duì)水面差減少率影響較大。

2.2.2檻高的影響

依據(jù)表2可知：①最大水面差減少率隨著彎道布置檻高的增加，彎道水面改善效果指標(biāo)增加。②檻高對(duì)均勻度和提高率影響較小，對(duì)水面差減少率影響較大。③不同的檻高，水面差減少率差別較大。雖然斜檻數(shù)量對(duì)彎道水面均勻度和提高率也有一定的影響，但當(dāng)斜檻數(shù)量超過(guò)一定條數(shù)時(shí)，其影響并不大。由表2可知，4條和5條斜檻的彎道水面均勻度平均值分別為92.8%、93.2%，相差僅為0.4%，水面均勻度提高率平均值分別為30.8%、31.3%，相差僅為0.5%。

2.2.3斜檻透水率的影響

表3為5條斜檻時(shí)不同透水率下的水面改善效果，表中各水面改善效果值均采用5種流量的平均值。由表3可知：透水率對(duì)彎道水面均勻度改善效果有一定影響，但不同檻高透水率的影響規(guī)律不一樣，低檻(檻高20 mm)條件下，透水率越低彎道水面改善效果越好；而中高檻(30 mm、40 mm)條件下，透水率大的相對(duì)較好，但不同透水率相同流量、檻高條件下，彎道水面均勻度及提高率值差別不大。低檻條件下透水率對(duì)水面改善效果影響較大，透水率越低越好；而中高檻不同透水率之間水面的改善效果差別不大。因此，就檻高和透水率而言，檻高是影響彎道水面改善效果的主要因素。

表3 5條斜檻不同透水率下的水面改善效果

2.2.4Fr的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同斜檻條數(shù)及檻高條件下，F(xiàn)r分別為1.35、1.28、1.23、1.22、1.19時(shí)的水面均勻度提高率，見(jiàn)圖3。由圖3 可知，相同斜檻條數(shù)下，彎道水面均勻度提高率隨來(lái)流的Fr增加而增加。由此說(shuō)明，彎道來(lái)流的Fr對(duì)彎道水面改善效果有影響，F(xiàn)r越大，水流改善效果越明顯。

2.3 彎道橫斷面最大水面差分析

2.3.1斜檻透水率的影響

根據(jù)彎道布置5條斜檻的水深試驗(yàn)結(jié)果，繪出檻高分別為20 mm、30 mm、40 mm，不同流量、不同斜檻透水率條件下，彎道橫斷面最大水面差如圖4所示。

圖4 不同流量、不同透水率下彎道段橫斷面最大水面差

由圖4可知：①各種檻高和透水率情況下，彎道設(shè)置透水斜檻后的最大橫斷面水面差均小于彎道無(wú)斜檻情況；②除個(gè)別情況(檻高30 mm，流量80 m3/h)外，斜檻透水率最小的彎道橫斷面水面差最小，透水率最大的斜檻彎道橫斷面水面差最大；③不同透水率的彎道橫斷面最大水面差值差別較大(流量50 m3/h除外)，不同透水率的彎道橫斷面最大水面差值相差不大；④最大水面差出現(xiàn)4處負(fù)值，即凸岸水面比凹岸高，而且檻高越大、流量越小，越容易出現(xiàn)這種情況。

上述分析說(shuō)明：透水斜檻能夠減少?gòu)澋罊M斷面最大水面差。一般情況下，透水率越少?gòu)澋罊M斷面最大水面差越小、減少率越大，但從最大水面差的數(shù)值看，低檻的不同透水率對(duì)水面差的影響較大，而中高檻條件下不同透水率之間的差別不大。另外，中高檻在小流量條件下，彎道橫斷面最大水面差可能出現(xiàn)負(fù)值，即在最大水面差斷面凸岸水面比凹岸高。

2.3.2檻高的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出彎道分別布置3條、4條、5條斜檻，檻高分別為20 mm、30 mm、40 mm條件下，彎道橫斷面最大水面差及減少率，如圖5所示。

圖5 不同斜檻條數(shù)及檻高下彎道段橫斷面最大水面差

由圖5可知：①各種斜檻條數(shù)及流量條件下，不同檻高對(duì)應(yīng)的彎道橫斷面最大水面差有較大的差別，以檻高40 mm的水面差最小(除3條斜檻流量150 m3/h外)，檻高20 mm的最大(除3條斜檻流量80 m3/h、100 m3/h外)；②4條斜檻在流量50 m3/h、5條斜檻在流量50 m3/h、80 m3/h、100 m3/h時(shí)，彎道最大水面差為負(fù)值。說(shuō)明當(dāng)流量一定時(shí)，增加檻高和條數(shù)能夠使凹凸岸水面改變，使凸岸水面高于凹岸水面。

上述分析說(shuō)明，檻高對(duì)斷面最大水面差有較大影響，相同流量條件下，檻高越大橫斷面最大水面差越小，而且當(dāng)斜檻達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，中高檻在小流量條件下，彎道橫斷面最大水面差可能出現(xiàn)負(fù)值，即最大水面差所在斷面的凸岸水面比凹岸高。

2.3.3透水斜檻數(shù)量的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出彎道檻高分別為20 mm、30 mm、40 mm，不同斜檻條數(shù)條件下彎道橫斷面最大水面差及減少率，如圖6所示。由圖6可知：①除個(gè)別情況外，5條斜檻的彎道橫斷面最大水面差最小，3條斜檻的最大，而且從水面差數(shù)值看差別較大；②當(dāng)斜檻條數(shù)增加到一定數(shù)量時(shí)，最大水面差所在斷面的凸岸水面高于凹岸。由此說(shuō)明，彎道布置的斜檻數(shù)量對(duì)橫斷面最大水面差有影響，一般情況下斜檻數(shù)量越多，彎道橫斷面最大水面差越小，斜檻數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，最大水面差斷面的凸岸水面高于凹岸。

圖6 不同斜檻條數(shù)下彎道段橫斷面最大水面差

2.3.4流量的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制彎道分別布置3條、4條、5條斜檻，以及50 m3/h、80 m3/h、100 m3/h、120 m3/h、150 m3/h 這5種流量下的彎道段最大水面差，如圖7所示。由圖7可知，相同斜檻條數(shù)、相同檻高和透水率條件下，彎道段橫斷面最大水面差隨流量的增大而增大。

圖7 不同流量下彎道段橫斷面最大水面差

2.4 彎道水面改善效果預(yù)測(cè)模型

由上述分析可知，在彎道軸線半徑、彎道底坡一定的條件下，彎道水面改善效果與斜檻的布置條數(shù)、檻高、透水率等因素有關(guān)。本文依據(jù)表1中不同參數(shù)透水斜檻得到75組彎道水面改善效果數(shù)據(jù)，利用回歸分析方法，得到彎道水面均勻度、彎道水流均勻度提高率和彎道橫斷面最大水面差減少率預(yù)測(cè)模型如下：

(6)

(7)

(8)

式中：fw、fc、fd分別為彎道水面均勻度、彎道水流均勻度提高率和彎道橫斷面最大水面差減少率；N為彎道布置的斜檻條數(shù)；S為斜檻透水率；d為透水檻高；Δhz為彎道沒(méi)有任何工程措施條件下的彎道橫斷面最大水面差。Δhz可按下式計(jì)算：

(9)

式中：b為泄槽寬度；v為斷面平均流速；R為彎道軸線半徑；g為重力加速度。

彎道橫斷面最大水面差可按下式估算：

Δhm=Δhz(1-fd)

(10)

工程設(shè)計(jì)時(shí)，在彎道水面估算目標(biāo)確定后，透水斜檻的初步尺寸可按照式(6)～(8)估算。例如，某溢洪道泄槽彎道段在沒(méi)有工程措施時(shí)，按式(9)估算的橫斷面最大水面差為2.5 m，由此在彎道內(nèi)沿軸線均勻布置45°的透水斜檻以改善彎道水流條件。改善目標(biāo)為：彎道水面均勻度為90%左右，水面均勻度提高率為30%左右，最大水面差降低率為60%左右。利用式(1)～(3)經(jīng)試算可知，方案1：彎道布置6條斜檻、檻高0.8 m、透水率為30%時(shí)，彎道水面均勻度為91.2%，水面均勻度提高率為24.8%，最大水面差降低率為58.9%；方案2：彎道布置5條斜檻、檻高1.0 m、透水率為30%時(shí)，彎道水面均勻度為91.6%，水面均勻度提高率為26.9%，最大水面差降低率為60.9%。上述兩個(gè)方案的改善結(jié)果與目標(biāo)值比較接近，均可作為透水斜檻的初步方案，最終可通過(guò)模型試驗(yàn)或綜合分析確定。

3 結(jié) 論

a.本試驗(yàn)彎道設(shè)置透水斜檻后，彎道水面均勻度平均為91.9%，提高率為29.5%，彎道橫斷面最大水面差減少率為63.9%。因此，彎道設(shè)置透水斜檻能夠改善彎道水流條件，提高彎道水面均勻度，降低彎道橫斷面最大水面差。

b.斜檻的高度、透水率、條數(shù)等參數(shù)對(duì)彎道水面改善效果有影響，其中檻高和布置條數(shù)影響較大，而不同透水率之間的改善效果相差不大。①檻高：在相同流量情況下，高檻比低檻水面改善效果好。從彎道水面均勻度提高率看，相同檻高條件下，流量越小，水流改善效果越好；檻高對(duì)彎道橫斷面最大水面差有較大影響，相同流量條件下，檻高越大橫斷面最大水面差越小，水面差減少率越大。當(dāng)斜檻數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，中高檻在小流量條件下，彎道橫斷面最大水面差可能出現(xiàn)負(fù)值，即在最大水面差斷面凸岸水面比凹岸高。②斜檻透水率：低檻條件下透水率對(duì)水面改善效果影響較大，透水率越低越好；而中高檻不同透水率之間水面的改善效果差別不大。③斜檻條數(shù)：增加透水斜檻條數(shù)能夠改善彎道水面效果，尤其在中低檻、大流量條件下更為明顯；一般情況下斜檻數(shù)量越多，彎道橫斷面最大水面差越小，水面差減少率越大，斜檻數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，最大水面差斷面凸岸水面高于凹岸。④彎道來(lái)流的Fr對(duì)彎道水面改善效果有影響，F(xiàn)r越大水流改善效果越明顯。

c.利用回歸分析得到的考慮透水斜檻參數(shù)的彎道水面改善效果預(yù)測(cè)模型簡(jiǎn)單實(shí)用，可用于初步確定透水斜檻布置及參數(shù)，供工程設(shè)計(jì)參考。