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《宽浅式陡槽溢洪道水流及斜坡水跃特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、宽浅式陡槽溢洪道水流及斜坡水跃特性研究:西段村水库设计采用宽浅式陡槽溢洪道,泄洪水流宽深比值为60~120,陡槽水流能量损失导致在陡槽末端提前发生水跃,消力池消能工未能充分发挥作用。从宽浅式陡槽水流特点入手,通过模型试验和理论分析相结合的方法,对西段村水库溢洪道陡槽面能量损失状况与斜坡水跃形态进行研究,提出了以斜坡消力池配合潜没式分流墩的设计方案,试验结果表明跃前断面单宽能量分布均匀,消力池内产生充分稳定的水跃消能流态。关键词:宽浅式陡槽;能量分布;模型试验;水跃;消能1前言宽浅式陡槽水流宽深比较大,浅层急流由
2、于大量掺气,水面破碎,紊动强烈,阻力系数增加,能量损耗高于一般急流。陡槽水流能量损失的增大对陡槽末端的消能产生重要影响,导致在陡槽末端提前发生水跃。陡槽浅层急流水流动量分散,能量沿陡槽宽度上的分布难以保持“均匀”和稳定,且由于浅层急流极易受边界干扰影响,造成陡槽末端水跃的稳定性较低,水跃的不稳定性表现在水跃主流偏向消力池一侧时,池内另一侧伴生出强烈回流进一步压缩水跃,使池中水跃不能充分发展,消力池消能工未能充分发挥作用。笔者结合槐扒黄河提水工程西段村水库非常溢洪道水工模型试验,对宽浅式陡槽水流特点进行分析,提出
3、了以斜坡消力池加潜没式分流墩方案的设计方案,从而保证了消力池内产生充分稳定的水跃消能流态,保证了泄水建筑物的安全,对下游水跃消能有良好的稳定控制作用。2宽浅式陡槽水流特点西段村水库非常溢洪道根据其运用要求和地形地质条件,采用宽浅式溢洪道,分引渠缓坡段、陡槽消力池段和平坡出口连接段,设计泄量66m3/s。其陡槽段断面为底宽18m的矩形槽,底坡i=1/7,水平投影长度128.52m,下接18m长消力池,池深2.1m。试验模型几何比尺为1/20。在陡槽起始段,陡槽水流上端受缓坡引渠末端临界水深控制,水面迅速降落,形成
4、b2型降水曲线,水面仍保持“光滑”、“完整”,该段长约40m。流速量测结果表明,自上端开始表层水流流速近似势流,而下部边界层则迅速发展,至40m末端边界层已发展到水面。陡槽水流沿程加速,水深骤减,最大单宽流量时水流宽深比由20增至60,小流量时宽深比更大。分析纵向流速分布可得到近底紊流边界层发展趋势,当边界层发展到水面时,可认为是自动掺气点的位置[1。自动掺气点以下流段随着水流加速,水深沿程进一步减少,在离陡槽起始端70m以后水深变化不明显,陡槽末端水跃前测点最大流速为14.67m/s,Fr1=7.13。该段由
5、于陡槽高速水流区内边界层的发展,水面自动掺气,紊动损失增大,模型中已经观测不到“光滑”、“连续”的水面,而整个水面呈现出紊动较强的“碎波”,临近“水面”时已感到“跃移水滴”存在。陡槽上水流处于自掺气状态,由于水深很小且水面掺气,水面线的观测有一定难度,掺气量不易观测。为了分析、验证边界层发展规律[2],采用鲍尔(Boll)和陈椿庭[3]由原型资料得到的有关边界层厚度计算公式:δ1L=0.024LKM!"-0.13(1)δ1L=0.082LKP!"-0.25(2)式中:δ1为边界层厚度;L为边界层发展长度;K为槽
6、底当量糙度,有机玻璃为KM=0.02mm、混凝土底板为KP=0.02mm。在设计泄量66m3/s时,根据模型实测厚度发展曲线,模型掺气点发生的距离即边界层发展长度L≈3m,将其代入式(1)得δ1=0.0153m(模型),换算为原型厚度0.306m;代入式(2)得δ1=0.28m(原型)。计算掺气点边界层厚度与实测模型水深相差甚小,说明边界层发展的估算是比较准确的。若流量小于66m3/s,陡槽中的水深越小,边界糙度对水面的影响越明显,掺气点断面Fr与计算掺气临界Fr也比较相近。陡槽发生掺气后,应分别计算陡槽掺气段
7、与不掺气段的两段能量损失。前者紊流充分发展,可用满宁公式计算;未掺气的势流区因边界层摩阻而增大的能量水头损失可用下式估算:Hf=δ3U32gq(3)式中:δ3=0.22δ1,为能量厚度;q、U分别为单宽流量和势流流速,将q、U代入式(3)得Hf=2.25m;这说明仅增大的能量摩阻损失就占该断面总能量的24%。设计泄量66m3/s时,陡槽下段模型实测的断面水深已接近0.015m,目前采用常规测试手段量化掺气浓度的大小尚有困难,笔者参考Gangdhaiah的研究成果,计算水流平均掺气浓度c:1-c=1ΩFr3/2+
8、1(4)式中:Ω是与糙率和槽形有关的系数,矩形水槽取0.0196。将斜坡水跃跃前的水流佛氏数代入式(4),得c=0.272。在对原型和模型资料分析的基础上,王俊勇先生提出的掺气比的计算式为:β=h1h2=0.937(F2r·φ·B/h1)-0.088(5)式中:Fr=v1/"gR,φ=n"g/R1/6,R≈h,脚标“1”、“2”分别代表水流为清水和掺气两种情况。如果清水h1=0.30m
