高水頭泄水建筑物側墻突擴側空腔水力特性研究

王海云，戴光清，楊 慶

（1.四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川 康定 626001；2.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065）

0 引言

隨著大壩水頭的增高，流速增大，高速水流問題越來越突出，明流泄洪洞反弧段后側墻減蝕問題是目前摻氣減蝕研究中一個新課題。文獻[1～8]對弧形閘門后有壓出流情況下，水流突擴突跌摻氣水力特性進行了較多的研究。文獻[9～13]結合工程實例通過大比尺模型試驗研究，對龍?zhí)ь^明流泄洪洞反弧段下游側墻的摻氣減蝕進行了研究，提出在反弧末端采用側墻突縮和底部突跌的摻氣方案；指出側墻貼角出口寬度的變化對下游水流流態(tài)的影響十分明顯；得出側空腔長度不宜超過底空腔的設計原則。文獻[14]采用模型試驗和三維紊流數學模型的方法對底部跌坎和側墻貼角組合摻氣坎空腔長度的研究表明：側墻摻氣坎空腔長度不僅與側墻摻氣坎的體形尺寸有關，還與底部摻氣坎的體形尺寸有很大關系。側空腔的特性較底空腔復雜，其影響因素和成因也不同，本文在前期研究工作的基礎上，對側墻突擴和底部突跌聯合摻氣情況進行了試驗研究，進一步探討側空腔的影響因素和規(guī)律。

1 模型試驗研究

試驗模型參照國內某已建大型龍?zhí)ь^明流泄洪洞，模型幾何比尺為1∶30，按重力相似準則設計。模型泄洪洞由進水口段、龍?zhí)ь^段、直坡段組成。龍?zhí)ь^反弧段半徑為333.33 cm，直坡段坡度為7.9%，進口閘門以后為明流，泄洪洞洞身橫斷面為等寬城門洞形，典型斷面尺寸為43.3 cm×45.0 cm（寬×高）。試驗條件為：模型最大流量0.76 m3/s，相應的單寬流量為1.744 m3/（s·m）；反弧末端摻氣坎前來流平均流速4～8 m/s，來流最大水深0.3 m。

試驗對反弧末端設置底部突跌和側墻突擴的方案進行研究，突擴出口為等寬形式，體形示意見圖1。文獻[9]指出反弧末端跌坎下游邊墻突擴的側空腔是由水流自由擴散至邊墻形成的，其出坎水流未受到類似側墻貼角的擠壓作用，水流在前進過程中不會先向內部收縮，而是直接向兩側邊墻擴散形成側空腔。文獻[15]對泄水建筑物側墻突縮側空腔水力特性進行研究，提出在不同的跌坎高度下，其底部空腔長度不同，水舌落水區(qū)域的壓力分布也就不同，底板壓力分布的變化也對出射水舌橫向擴散能力有明顯作用，進而影響側空腔長度。由此可見，跌坎高度對側空腔長度有明顯影響，本文試驗擬在跌坎高度一定條件下，重點研究側墻突擴寬度、摻氣坎后突擴水平長度以及底板落水區(qū)域的壓力分布對側空腔長度的影響，其中實測的空腔長度為目測水氣交界線。

圖1 側墻突擴試驗方案體形示意

1.1 突擴寬度對側空腔特性的影響

首先研究在跌坎體形尺寸一定的條件下，突擴寬度尺寸變化對側空腔特性的影響，3種試驗方案側空腔長度實測結果見表1。來流單寬流量為1.744 m3/（s·m）時，不同突擴寬度，實測底部落水區(qū)域的壓力分布見圖2，方案一和方案二摻氣坎后實測側墻壓力分布見圖3。從表1可知，當來流流量一定時，反弧段后側墻近壁沒有清水區(qū)，側空腔長度隨突擴寬度的增大而增加；當突擴寬度一定時，側空腔長度隨著來流量的增加而減小。從圖2、3可以看出，不同突擴寬度下水舌落水區(qū)域壓力分布基本沒有變化，側墻上的壓力分布規(guī)律和峰值變化也較小，因此，說明其空腔長度主要與突擴寬度有關。

表1 側墻突擴3種試驗方案側空腔長度實測結果

圖2 不同突擴寬度時摻氣坎后底板軸線壓力分布

圖3 摻氣坎后實測側墻壓力分布（單位：kPa）

1.2 突擴水平長度對側空腔特性的影響

表2為單寬流量為1.744 m3/（s·m）時，在不同突擴長度下的側空腔長度。圖4為實測底部落水區(qū)域的壓力分布，圖5為方案四和方案五摻氣坎后實測側墻壓力分布。試驗結果表明，不同突擴寬度下，底部和側墻的壓力分布規(guī)律和峰值變化相同；當突擴寬度和跌坎高度一定時，突擴長度對側空腔長度的影響較小。其原因是在相同的來流條件下，水流經過摻氣坎后，沒有任何附加作用力，四面凌空自由擴散，在側墻上的落水位置主要取決于水舌的橫向擴散能力和底部的壓力分布。

表2 不同的突擴長度下側空腔長度

圖4 不同突擴長度時摻氣坎后底板軸線壓力分布

圖5 摻氣坎后實測側墻壓力分布（單位：kPa）

1.3 來流量對側空腔特性的影響

表3為不同單寬流量時，在突擴寬度、摻氣坎后突擴水平長度和跌坎高度一定的條件下，實測底空腔和側空腔長度值。結果表明，相對底空腔而言，側空腔長度要偏小；隨著來流流量的增大，側空腔長度明顯減小，底空腔也有一定減小，且側空腔減小的百分比較底空腔大。究其原因為：當來流單寬流量增大，來流的流速增加，底板上的沖擊壓力增大，底空腔長度減小；受底板上沖擊壓力的增大，加上水流的佛氏數減小，出坎水舌橫向擴散能力加大，導致了側空腔長度的減小。

圖6為不同來流單寬流量下，實測底部落水區(qū)域的壓力分布，其中，工況A、B分別代表單寬流量為1.465、1.744 m3/（s·m）兩種情況，圖6表明，隨著來流流量的增加底部軸線的壓力也增加。圖7為對應的側墻壓力分布，從圖7可以看出，隨著來流流量的增加，側墻的壓力值也呈增加趨勢；由于側墻壓力值的增加引起了側空腔長度的減小。

表3 不同單寬流量下的底空腔和側空腔長度

因此，底板上的沖擊壓力對水舌的橫向擴散能力有顯著影響，沖擊壓力是影響側空腔形成的內因。

圖6 不同來流單寬流量時摻氣坎后底板軸線壓力分布

圖7 摻氣坎后實測側墻壓力分布（單位：kPa）

2 結語

射流空腔長度是衡量摻氣坎水力特性的重要參數，其大小直接影響摻氣坎下游的摻氣效果，側空腔長度是保證下游側墻摻氣效果的重要參數。當泄水建筑物采用側墻突擴和底部突跌的聯合摻氣形式時，通過對突擴寬度、突擴長度和來流流量 （用來流佛氏數表示）進行試驗得出，突擴寬度和來流佛氏數是側空腔形成的影響因素，這是因為水流經過摻氣坎后，在側墻上的落水位置主要取決于水舌的橫向擴散能力和底部的壓力分布，底板上的沖擊壓力對水舌的橫向擴散能力有顯著影響，沖擊壓力是影響側空腔形成的內因。

結合文獻[14]的研究成果可以初步得出，對側墻突擴摻氣坎形式而言，影響側空腔長度的主要因素有跌坎高度、突擴寬度和來流佛氏數。

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