非對稱窄縫挑坎水力特性研究

彭引 田忠 肖鴻 藏興科 馮艷如

摘 要：非對稱窄縫挑坎是針對山區彎曲河道泄洪消能的一種新型消能工?；谒W模型試驗研究了偏轉角為0°～10°非對稱窄縫的水力學特性，重點分析了挑流段水面線特性、邊墻壓力分布、挑距及入水范圍。模型試驗上游來流采用有壓裝置生成，參照規范建議值選定了窄縫消能工模型的收縮比、挑角等參數。試驗結果表明：弗勞德數Fr與非對稱偏轉角對挑流水面線、邊墻荷載、挑距有較大影響。非對稱窄縫挑坎可以有效地使挑流發生轉向，相比對稱窄縫挑坎，在相近的流量下非對稱窄縫水舌擴散更為均勻，從而有效減弱了水舌對兩岸的沖刷，減小了水舌對河床的沖擊力度。

關鍵詞：窄縫挑坎；消能工；非對稱；高壩；山區河流

中圖分類號：TV13

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.025

挑流消能是中高水頭條件下水庫泄洪消能常見的一種方式¨。為適應當地河流或地質特征，挑坎常設計為特殊形狀，如窄縫挑坎[2-5]。1978年李桂芬等[6]在國內首次系統地研究了窄縫挑坎的水力特性。

但是，實際工程中山區河流有一定的彎度，為了防止挑流對水工建筑物下游左有邊墻的沖刷，常需要使水流發生轉向，使水舌挑人河道中心，工程中常采用非對稱窄縫挑坎。如西班牙Guadaltetba電站有岸溢洪道采用非對稱轉角，出口斷面為梯形：西班牙巴埃爾斯壩（ Baells）采取兩次收縮，左有岸溢洪道都是窄縫挑坎，左岸窄縫能同時使水流轉向。國內學者針對非對稱窄縫的研究較少，非對稱窄縫設計計算還未規范化，劉韓生等[7-8]首次對非對稱窄縫挑坎的邊墻曲線計算方法和非對稱窄縫挑坎的水力特性進行了研究。

筆者基于水力學模型試驗，研究了偏轉角為0°～ 10°的直線形邊墻非對稱窄縫挑坎的水力特性，重點分析了挑流段水面線特性、邊墻壓力分布、挑距及入水范圍，系統分析了偏轉角和Fr對非對稱窄縫水力特性的影響，同時探討了非對稱窄縫相對于對稱窄縫的優缺點。

1 試驗裝置

試驗裝置布置見圖1。上游水箱長1 m、寬Im、高2m，水箱連接1.5 m長的水平未收縮段窄縫，下游窄縫挑坎收縮段長度L為1 m，收縮前溢洪道寬度B為0.5 m，窄縫挑坎出口寬度6為0.2 m，相對收縮段長度L/B=2，收縮比b/B= 0.4[9]。試驗過程中保持水箱水深不變，通過改變閥門開度來控制窄縫前的水深及Fr。共進行6組不同偏轉角的試驗，設計的6組試驗體形參數見表1。每組試驗均測量來流Fr分別為3、5、7、9時的水面線高度、左右邊墻壓強及窄縫挑距。

從窄縫收縮段人口起，在窄縫段布置10個水深測量斷面，斷面間距為0.1 m。在窄縫左、右邊墻上設置測壓點測量邊墻壓強，其中窄縫偏轉角θ= 0°、Fr =9時測壓點布置見圖2（h0為初始水頭）。

對于窄縫挑坎，挑m的水流落人挑坎下游的動床中，在試驗中放置米尺測出挑流的垂直長度l0，其挑距為

。

通過試驗繪制對稱窄縫和非對稱窄縫挑坎挑流的俯視圖和側視圖可知：非對稱窄縫水舌比對稱窄縫水舌橫向擴散得更加均勻，水舌更寬：非對稱窄縫水舌與對稱窄縫水舌的縱向擴散程度相當。

2 窄縫挑流水面線動態特征識別

2.1 偏轉角對窄縫挑流水面線的影響

對不同的偏轉角，分別測出4組不同Fr下的水面線。利用有壓裝置控制初始水頭為10 cm，研究偏轉角對窄縫水面線的影響，本文提及的水深均為以試驗裝置窄縫挑坎處的底部為基準面所測量的水深。

圖3給出 Fr=9時窄縫偏轉角分別為0°、2°、4°、6°、8°、10°對應的左、右邊墻水面線。結果表明：非對稱窄縫右邊墻水深隨著偏轉角的增大而增大，水面線在窄縫剛開始收縮時沿墻上升較快，偏轉角越大，爬升越快：在收縮段中部水面線變化率有減小的趨勢，到最后收縮段，接近窄縫出口時，水面線變化率增大。非對稱窄縫左邊墻水面線在窄縫剛開始收縮時沿墻爬升較慢，偏轉角越大，左邊墻水深越?。鹤筮厜λ婢€在窄縫中部至出口處出現較大爬升。對稱窄縫左右邊墻水面線高度相同，水深沿程增大。非對稱窄縫右邊墻水深大于對稱窄縫水深，不對稱性越大，有邊墻水深越大：左邊墻水深小于對稱窄縫水深，不對稱性越大，左邊墻水深越小。

2.2 Fr對窄縫挑流水面線的影響

相同偏轉角下，分別測出來流Fr=3、5、7、9時窄縫水深的變化情況。圖4為對稱窄縫不同Fr下收縮斷面水面線，圖5為偏轉角為100非對稱窄縫不同Fr下收縮斷面水面線?？梢?，不同Fr下對稱窄縫水面線在窄縫剛開始收縮時沿墻爬升較快，收縮段中部水面線爬升逐漸變緩：Fr越大水深越大。分析非對稱窄縫水面線可知：右邊墻水面線出現較大攀升，Fr越大水面線爬升越快：左岸水面線攀升較慢，Fr越小攀升越快。

2.3 出口斷面控制水深h0表達式擬定

由水面線沿程變化趨勢圖可知，窄縫收縮，水面線沿程爬升，窄縫出口處水深為相同工況下的最大水深，因此斷面出口的水深對窄縫邊墻高度設計影響最大。

由實測數據可知ho與Fr、θ有關，根據寧利中等[1O-11]對能量方程與連續性方程進行簡化處理后得出的對稱窄縫末端控制水深計算公式，假設h0與Fr、θ之間的關系為

選取Fr =3、7，θ分別為2°、4°、6°、8°、10°時的水深（即圖6中網點）進行擬合。左邊墻出口處水深回歸方程為

利用Fr =5、9時的水深（圖6中三角形點）對曲線進行驗證。由圖6可知，擬合效果較好。

3 邊墻壓強

3.1 壓強的數據處理方法

試驗中測量各測壓點的測壓管水頭，利用公式將水頭轉換為壓強?，F以Fr =9、偏轉角為00的T況為例，各測壓點坐標分布如圖7所示，圖中：方框中數值指壓強，Pa；以窄縫人口為原點，橫向為x軸，水面線高度方向縱向為y軸，各測點水面線處的坐標分別為（O，0.1）、（0.2，0.13）、（0.4，0.17）、（0.6，0.21）、（0.8，0.25）、（1.0，0.30）。對于水面線處的壓強，利用線性插值法進行內插。如橫坐標0.4 m處水面線壓強a=

3.2 偏轉角對窄縫邊墻壓強的影響

在不同偏轉角下分別測出 4組Fr（ Fr=3、5、7、9）下邊墻壓強。為進一步研究偏轉角對窄縫邊墻壓強的影響，同樣每組試驗控制Fr不變，研究偏轉角分別為0°、2°、4°、6°、8°、10°時邊墻壓強的變化情況。

當偏轉角為0°時，左右邊墻壓強相同（見圖8（a）），且水流在進入窄縫時窄縫突然收縮導致左右邊墻在窄縫人口處壓強最大。窄縫中部邊墻壓強最小，直至靠近窄縫出口處水流沖擊增大，邊墻壓強有所增大?？v向左右邊墻受水壓的影響，窄縫底部至水面壓強逐漸減小。

非對稱窄縫挑坎偏轉角為10°時（見圖8（d）、（e）），左邊墻壓強沿程逐漸增大，且在窄縫中部靠近窄縫出口出現峰值，其后壓強逐漸減?。河疫厜簭娧爻虦p小，在窄縫人口處達最大值。受偏轉角影響，窄縫右邊墻壓強遠大于左邊墻壓強，左右邊墻壓差較大。

對比圖8（b）、（c）（Fr =9、偏轉角為6°）和圖8（d）、（e）（Fr =9、偏轉角為10°）可知：在相同Fr下，隨著偏轉角的增大，左右邊墻壓差增大：邊墻向左偏轉，導致水流剛進入窄縫時，右邊墻在拐點處受水流直接沖撞，從而窄縫人口處壓強最大，窄縫不對稱性越大，有邊墻壓強越大：左邊墻擴張導致窄縫人口處壓強減小，窄縫不對稱性越大，左邊墻壓強整體越小。

3.3 Fr對邊墻壓強的影響

利用有壓裝置控制水流的Fr，測量偏轉角為10°，Fr =3、5、7、9時邊墻壓強，研究不同Fr下邊墻壓強變化情況。

Fr為9時受偏轉角影響，有邊墻壓強大于左邊墻的：對于左邊墻而言，從窄縫收縮段始端起壓強沿程逐漸增大，在窄縫中部靠近窄縫出口出現峰值，其后壓強逐漸減?。簩τ谟疫厜Χ?，窄縫收縮段始端壓強最大，其后壓強逐漸減小。從縱向分析，左右邊墻受水壓影響，窄縫底部至水面壓強逐漸減小。隨著Fr增大左有邊墻壓強增大，壓差逐漸變大：隨著Fr增大右邊墻壓強在窄縫人口處越來越大，左邊墻壓強在窄縫中部越來越大。

4 水舌挑距

窄縫挑坎最重要的特點之一是使水舌充分拉伸，導致水舌進入下游時有明顯的上下挑距[12-13]。對于非對稱窄縫，其左右邊墻窄縫底部起挑高度相同，由于窄縫收縮，且窄縫非對稱，因此左右邊墻處的水面線高度不同，左有邊墻會產生兩個不同的挑距，加上窄縫底部水流產生的挑距，非對稱窄縫會產生3個挑距，挑距由遠到近分別設為L1、L2、L3。而對稱窄縫左右邊墻挑距相同，故對稱窄縫產生2個挑距。

Fr和偏轉角的改變影響著水流的挑距。筆者同樣從改變Fr和偏轉角兩方面來探究窄縫挑流挑距的動態特征。在挑流斷面建立坐標系，以水舌剛出挑坎的頂部為原點，X軸為水流挑距投影方向，Y軸為射流偏移方向。

4.1 偏轉角對水舌挑距的影響

為研究偏轉角對水舌挑距的影響，試驗過程中控制Fr不變，改變偏轉角，測量水舌上緣和下緣落點及偏轉情況。Fr為9時各偏轉角下挑距的投影面積見圖9。

Fr為9、偏轉角為100時，水舌落點L1與水舌落點L3相距較大，L2與L1之間的寬度大，即挑射水舌沿程逐漸擴散，水舌寬度逐漸增大。隨著窄縫偏轉角度的增大，在相同流量下，大角度非對稱窄縫挑坎比小角度非對稱窄縫挑坎的水舌寬度大、挑距遠。對稱窄縫挑坎水舌分布沿軸線對稱，挑距與非對稱窄縫差距不大，但是水舌的寬度比非對稱窄縫水舌寬度窄很多。即認為非對稱窄縫挑坎與對稱窄縫挑坎相比出坎水舌橫向擴散更均勻。

4.2 Fr對水舌挑距的影響

在試驗過程中控制偏轉角不變，研究不同Fr對水舌的影響。圖10為偏轉角為100各Fr下挑距的投影面積?？芍?，Fr越大水舌偏轉幅度越大，挑距越遠，水舌沿程逐漸擴散，水舌寬度逐漸增大。非對稱窄縫挑坎在相同偏轉角下，Fr越大，左有邊墻的挑距相差越大，水舌擴散越均勻，寬度越大，消能效果越好。

在實際工況中，可根據河道的彎曲狀況，選定合適的偏轉角，使水舌擴散更加均勻，落人預定的河道，減弱水舌對兩岸的沖刷，減小對河床的沖擊力度。

4.3 水舌挑距的理論計算

試驗中，用流速儀測出水流剛出挑坎時速度u，其與水平方向的夾角為α，則y方向流速u_y=usln α，x方向流速u_x= ucosα。

略去空氣阻力的影響，水舌射流僅受重力影響，應用計算點自由拋射軌跡的方法，可導出水舌的軌跡方程。水舌挑距軌跡見圖11。

由表2可以看出，偏轉角為10°時經驗公式計算非對稱窄縫挑坎挑距與實測的水舌挑距基本一致。Fr較小時左有邊墻處水流沒有完全被挑起，即挑流形成不完全，因此計算誤差較大：Fr較大時水舌計算挑距與試驗結果比較吻合。

5 結語

采取試驗方法研究了偏轉角為0°～ 10°時窄縫的水面線特性、邊墻壓強、水舌入水范圍等水力參數的特性，試驗結果表明：

（1）對于窄縫挑坎，流量越大窄縫左右邊墻的水深越大。相同流量下、不同偏轉角時，相對對稱窄縫水深而言，非對稱窄縫有邊墻水深大于對稱窄縫水深，不對稱性越大有邊墻水深越大：非對稱窄縫左邊墻水深小于對稱窄縫水深，不對稱性越大，左邊墻水深越小。

（2）非對稱窄縫在小流量下右邊墻壓強大于左邊墻壓強，隨著流量增大，窄縫左有邊墻的壓差逐漸增大：在窄縫收縮段人口處，右邊墻壓強明顯大于左邊墻壓強，不對稱性越強，壓差越大：伴隨窄縫偏轉角度增大，左邊墻壓強在窄縫出口處逐漸增大。

（3）非對稱窄縫挑坎可以有效地使水流發生轉向，相比對稱窄縫挑坎，在相近的流量下，非對稱窄縫水舌寬度擴散更為均勻，水舌入水范圍明顯大于對稱窄縫的，說明非對稱窄縫挑坎在使水流轉向的同時可以達到提高水舌擴散程度的作用，有效減弱水舌對兩岸的沖刷，減小水舌對河床的沖擊力度。

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