摘要

为研究如何避免溢洪道泄洪过程中,闸墩后生成的水翅会给泄洪安全带来诸多不利的影响。本文利用量纲分析和物理模型试验方法,对溢洪道闸墩后水翅的水力特性和消减措施开展研究。试验结果表明,影响水翅长度和高度的主要因素有闸墩尾部出口处的弗劳德数Fr0、溢洪道坡度i、闸墩宽度等;在相同泄流条件下,若泄槽坡度变小,水翅长度也随之减小,而水翅高度却相应增加;当弗劳德数Fr0介于2.3与2.8之间时,闸墩后的水翅长度和高度均显著增大。试验还发现水翅的长度、高度与闸墩后泄流下跌角度α有关,当α增大时,水翅长度和高度也随之增大;当α较小时,水翅现象明显减弱或消失。研究结果为实际工程消除水翅现象提供了新思路,提出的复合式斜尾墩比传统四棱台型尾墩能更好地避免水翅发生,对改善溢洪道、泄洪洞闸墩后的水流流态具有参考价值。

关键词

水翅; 溢洪道; 闸墩; 复合式斜尾墩; 水力学模型试验;

0 引 言

当水利工程泄洪流量较大时,常在泄洪建筑物进口闸室加设闸墩,将进水口分隔成数孔,以减小闸门尺寸防止其跨度过大 ,但是闸墩两侧的下泄 水流在溢洪道内交汇时易生成类似鱼鳍状的水翅,水翅现象会给泄洪消能带来诸多不利的影响,如泄流稍有波动或闸门未对称开启时,都会导致水翅 在溢洪道内摆动、冲击甚至翻越边墙,从而增加边墙高度和承受的动力荷载 。水翅跌落后还容易对溢洪道底板造成冲击,引起溢洪道底板的压力 沿程波动。若水翅发生在泄洪洞中,激起的水流还可能会冲击洞顶,其引起的波动还会造成洞内水流流态不稳,严重威胁到泄洪洞的安全运行 。

鉴于泄洪时水翅现象会产生上述安全隐患,研究人员通过模型试验和数值模拟方法对大坡度台阶式溢洪道 、窄缝消能工出口 、泄洪 洞侧掺气坎 、闸墩 后形成的水翅特征开展了相关研究。同时针对消减和控制闸墩后水翅的工程措施也开展了一些探索,段维钧 为了消除某工程中的高水头泄流底孔闸墩尾部产生的水翅,提出了一种淹没式斜尾墩,并对该尾墩的体型设计及消除水翅的原理进行了介绍和探 讨。王治祥等 发现消除天生桥一级水电站溢流堰闸墩尾部的水翅可以采用分散相邻两孔水流交汇点和交汇能量的办法,即在原闸墩末端加设收 缩潜没式斜尾墩。吴建华等 研究了三板溪水电站泄洪洞中墩后的水翅现象,并通过量纲分析方法得出了水翅长度、水翅高度与水流弗如德数、 对冲长度、水面下凹深度之间的关系,发现泄洪洞中墩后水面下凹是引起水翅的主要原因之一,并在随后研究中提出了一种新型的水垫型中墩 ,该 中墩改善了由于中墩尾部附近水面急剧下凹导致水流反弹而引起的水翅。王川等 以印度尼西亚Jatigede大坝溢洪道中墩后形成的水翅为研究对 象,在斜尾墩 的基础上,将其侧面直线段改进为流线型,消除水翅效果优于普通斜尾墩。

综上所述,以往有关水翅的研究大都是为了优化或解决某具体水利工程泄洪时存在的不良流态问题,其研究成果具有一定的局限性。对于溢洪道 闸墩后水翅的成因分析、水力特性及运动规律相关的专题试验研究鲜有报道。本文采用理论分析与水工模型试验相结合的方法探求水翅在溢洪道 闸墩后的成因,以及各种因素变化对水翅特征的影响,并提出了消减措施,研究结果对实际工程控制水翅的发生具有参考价值。

1 量纲分析

根据观察溢洪道闸墩后的水翅现象,定义了相关参数如图1所示。L 和H 分别是水翅的长度和水翅的高度,水翅长度是水翅起点到水翅落水点的 距离,反映了水翅在泄槽纵向的影响范围;水翅高度是水翅跃起的最高点到泄槽底板的距离,该值为设计溢洪道边墙的高度提供参考。此外,L 是两股 下泄水流碰撞前下跌的长度,起点是两股水流失去墩壁约束处,终点为两股水流发生碰撞处。H 是闸墩后两股水流失去墩壁约束后下跌的竖向高 度。其余参数还有闸墩尾部出口处的断面平均流速v 和水深h ,溢洪道底板坡度i。

图1 溢洪道闸墩后水翅及参数示意

不考虑水流的粘性和表面张力时,其中影响水翅长度的主要因素有v 、h 、b、g、i五个物理参数。根据量纲分析理论,可将水翅长度L 与上述 物理参数的函数关系表示为

图2 物理模型布置示意(单位:m)

基于π定理,选水深h 和重力加速度g为基本物理量,根据量纲和谐原理,化简后可得

公式(2)中

可以用闸墩尾部出口断面处的弗劳德数Fr 表示,同理可得水翅高度H 的表达式

由于水流下跌深度H 和下跌长度L 也同样随Fr 和i的变化而变化。所以水翅特征也可以表示为

2 模型设置

2.1 试验装置

为了进一步研究上述公式中各物理参数与水翅特征的变化规律,水工模型试验往往是一种较为直观、可靠的方法。本文以某典型水利工程中溢 流堰和溢洪道体型为参考,根据重力相似准则,取其泄流表孔中的两孔制作物理模型。模型主要由上游水箱、溢流堰、闸室、闸墩和泄槽段组成,闸 室内单孔宽度为10 cm,闸墩宽度b=4.5 cm,泄槽段的宽度和长度分别为24.5 cm和140 cm,其中边墙高度为15 cm,图2为模型示意图。

2.2 试验工况

当闸门完全开启时,为了得到库区不同水位下水翅的水力参数,以水箱水面到闸墩尾部出口处的水头H =0.244 m、H =0.264 m、H =0.284 m、H =0.304 m、H =0.324 m、H =0.344 m、H =0.364 m和H =0.384 m作为试验工况。另外,当闸墩宽度b为定值时,改变溢洪道的坡度会对水 翅产生不同的影响,试验设计了三种坡度i =0.357,i =0.286和i =0.222。因此,模型试验控制的参数主要有水头H和底板坡度i,需要测量的参数有闸 墩尾部出口断面处的平均流速v 和水深h 、下跌长度L 、下跌深度H 、水翅长度L 和水翅高度H 。

3 结果与分析

3.1 闸墩后的水流结构分析

这种在泄槽中的急流自由扩散特性,是复杂的空间水流运动问题,其流向、流速、水深和单宽流量等沿程都在发生变化。如图3所示,通过试验观 测闸墩后生成的水翅,发现当下泄水流失去闸墩壁面约束后,靠近闸墩一侧的水流在泄槽内出现横向扩散(速度分量v )和下跌运动(速度分量v ),当闸 墩两侧的两股斜向下扩散的水流发生碰撞后,水流的部分动能转化为集中的压能,压能受到泄槽底部和周围水体的约束,只能把集聚的能量传递到表 层的部分水体,使其向上冲出水面,从而形成了在空中飞跃的抛物线形水翅。

图3 闸墩后水流结构示意

3.2 弗劳德数Fr 与水翅特征的变化规律

由公式( 2) 和公式( 3) 可知，墩尾出口处的水流 弗劳德数 Fr0 对水翅特征将产生影响。从图 4 和图 5 中可以看出，当弗劳德数 Fr0 相同时，随着泄槽坡度减小，水翅的长度也逐渐减小，而水翅的高度却随泄 槽坡度的减小而增大。从图中还可以看出，当 1. 9＜ Fr0≤2. 3 时，各工况下的水翅长度和高度随 Fr0 增大逐渐减小，且变化趋势基本一致; 当 2. 3＜Fr0 ＜2. 5 时，水翅长度和高度随 Fr0 增大而增大; 当 Fr0 = 2. 5时，水翅长度的最大值 Lw /b= 12. 89 和高度的最大值 Hw /b= 3. 44 分别出现在泄槽坡度 i = 0. 357 和 i = 0. 222; 当2. 5＜Fr0＜3. 2 时，水翅长度和高度随着 Fr0 的增大又都逐渐减小。根据试验观测和分析，Fr0 在 2. 3 与 2. 8 之间水翅突然增强的主要原因是: 闸墩后 没有足够的积水深度( 见图 1) 为两股交汇的泄流起到 缓冲水垫的作用，且下泄水流跌向底板的趋势明显， 导致泄流直接冲击底板受到挤压后反弹到空中形成了 较高的水翅。

图4 Lw/b与Fr 的关系

图5 Hw/b与Fr 的关系

3.3 水流下跌对水翅特征的影响

Hc /Lc 是水流下跌深度和下跌长度的比值，根据 公式( 4) 和公式( 5) 可知 Lw /b 和 Hw /b 分别与 Hc /Lc 的值有关。为了简便起见，可用三角函数关系来近似 表示 Hc /Lc( 见图 1) ，即 tanα=Hc /Lc，α 为水流下跌 角度，且 α 一般不大于 45°。通过试验观测发现不同 的 tanα 值可以引起水翅特征发生明显的变化。由图 6 和图 7 可以看出 0. 2＜tanα＜1. 0 时，水翅长度和高度 的变化趋势是随水流下跌角度 α 的增大而增大; 而 tanα＜0. 2 时，水翅在泄槽内基本消失。分析出现以 上变化规律的主要原因是: 当夹角 α 逐渐减小后，水流指向泄槽底板方向的速度分量 v2 也逐渐变小， 即两股泄流汇合后对底板造成的压能逐渐减小，水体 不再受底板的阻挡而反弹到空中形成强水翅。如文献 ［15］和［19］中提到的斜尾墩其本质都是在一定程度 上减小了 tanα 的值。因此，可以采取有关工程措施 将水流下跌角度控制在较小范围内，从而避免或减弱 溢洪道闸墩后的水翅现象。

图6 Lw/b与tanα的关系

图7 Hw/b与tanα的关系

3.4 水翅的消除措施

消减水翅高度的传统方法是在闸墩后加设类似图8(a)所示的四棱台型尾墩 ,相对于图8(b)该类尾墩虽然能在一定程度上减弱水翅现象,但 仍然无法有效避免水翅的发生,尤其当下泄大、中流量时,尾墩后形成的水翅依然会影响下泄水流流态的平稳,因此该类尾墩在实际工程应用中还存 在一定的局限性。

基于水翅的生成原因,本文设计了一种消除水翅的复合式斜尾墩,由上部的收缩式隔水墩和下部的托流墩座组成,隔水墩和托流墩座为一体化结 构,如图8(c)所示。其消除水翅的主要原理有两点:一是减小泄流扩散后的下跌运动趋势,二是分散碰撞水流产生的压能。具体表现为:将托流墩两侧 设计为扭面,侵占了大部分下跌水流的空间,在引导泄流沿托流墩两侧墩壁向下游流动时,使水流运动方向尽量与底板平行减小水流下跌角度;在大流 量时,高于隔水墩的下泄水体将在隔水墩上表面沿程交汇,把水流扩散碰撞产生的压能纵向分散,减少了能量的迭加集中,有利于削弱水翅,在中、小流 量时,托流墩底部的扭面和椭圆锥面设计也起到分散下泄水流压能的作用。在相同工况下,通过对比发现复合式斜尾墩消除水翅的效果比传统四棱台 型尾墩更好,如图8(a)和图8(c)所示。

图8 水翅消除措施及其效果示意

4 结 论

(1)溢洪道下泄水流失去闸墩约束后将横向扩散和下跌,造成闸墩后局部水流压能集中,从而使水体被挤压出水面形成水翅。

(2)闸墩后的积水深度对水翅生成存在抑制作用,但积水深度对水翅水力特性的影响机制目前尚不清楚。

(3)相比传统四棱台型尾墩,本文通过模型试验提出的复合式斜尾墩,在高水头和大流量时能更好地减小泄流下跌角度,从而消减水翅高度,改善下 游流态,且结构简单便于施工。

(4)在实际工程应用中,还应对这类尾墩托流墩座上的压强分布和空化特性做进一步试验研究,以确保溢洪道安全运行。