底流式消能水力特性及其影響因素分析

郭 麗

(撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 撫順 113008)

底流式消能有著較長(zhǎng)的發(fā)展歷史[1]，通過(guò)使水躍發(fā)生在泄流建筑下游來(lái)完成消能[2]。其特點(diǎn)是利用底部水流發(fā)生的水躍進(jìn)行消能，能夠獲得較高的效率。潘瑞文[3]等提出了利用多級(jí)消力池，來(lái)減少水流的落差，為下一級(jí)的水躍創(chuàng)下基礎(chǔ)提高了消能率，得到了較好的效果；李杰[4]等結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)水流下的水利特性和消能規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)出口水流的消能設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)其消能理論進(jìn)行了更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕榻B。本文通過(guò)選取尾檻折坡位置、尾檻坡度以及流量三個(gè)因素，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，并對(duì)每個(gè)因素各自選取三個(gè)水平，探究了消力池的水流特性，并對(duì)不同尾檻折坡位置、流量變化以及尾檻坡度不同流量下消力池內(nèi)流速和水深的變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，為今后的施工建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)分析方法

研究分析流量變化對(duì)消能率的影響時(shí)，可通過(guò)水躍總水頭損失E與躍前斷面比能E1間的比值來(lái)表示水躍消能系數(shù)Kj。其計(jì)算公式為[5- 6]：

(1)

式中，E1—躍前斷面比能；E2—躍后斷面比能；Fr—弗勞德數(shù)。

Fr1越大，水躍消能的效率也就越高。對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果分析時(shí)，可采用直觀分析法與方差分析法，其中直觀分析法中T表示因素在個(gè)水平下的總響應(yīng)值，R表示數(shù)列中兩最值之間的差值，即R=maxTi-minTi。

方差分析法可有效解決直觀分析法中存在的缺乏客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，其計(jì)算步驟為[7]：

(1)計(jì)算離差平方和。總離差平方和SST以及因素的離差平方和SSA的計(jì)算公式為：

(2)

(2)計(jì)算自由度。自由度df=n-1

(3)計(jì)算平均離差平方和MS。

(4)計(jì)算F值，其可以反映各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。

(5)檢驗(yàn)因素的顯著性。利用P值法檢驗(yàn)各因素對(duì)試驗(yàn)的影響程度，P值按大小可分為0.01，0.05，0.20三檔。P值越小，說(shuō)明因素越重要；而P值越大，顯著性越明顯。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)的方法，以消能率為試驗(yàn)指標(biāo)，研究分析消力池流量、尾檻形式對(duì)消能效果的影響[8]。通過(guò)減少試驗(yàn)次數(shù)，得到最佳的試驗(yàn)方案。以尾檻折坡點(diǎn)位置、流量以及尾檻坡度為三個(gè)變量，在保證減少試驗(yàn)次數(shù)的前提下，忽略各變量間的影響，每個(gè)變量尋找3個(gè)水平進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，得到正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

流量因素可分為三個(gè)水平，分別為0.13m3/s、0.18m3/s以及0.21m3/s，表示消力池下游的自由出流水位，尾檻坡度因素分為直坎、1/3坎及1/4坎三個(gè)水平，尾檻距折坡點(diǎn)位置可分為距尾檻15cm、25cm、35cm三個(gè)水平，各試驗(yàn)因素及所取水平見(jiàn)表2。

表2 正交設(shè)計(jì)因素與水平表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 流速及水深分析

試驗(yàn)主要測(cè)量?jī)?nèi)容為：躍前、躍后斷面流速、下泄流量以及躍前、躍后水深等[9- 10]。消能率正交試驗(yàn)測(cè)量成果表見(jiàn)表3，表中V1、V2分別為躍前流速、躍后流速；ht為水躍下游水深；h1為躍前斷面水深；h2為躍后水深。由于斜坡段具有一定擴(kuò)散功能，且順?biāo)鞣较蛳Τ刂虚g位置水躍發(fā)生的最為完整，則h1、h2、V1、V2均取斷面中間測(cè)點(diǎn)位置測(cè)量值，尾檻高度為0.20m，h+0.20-h2可作為9個(gè)工況下池內(nèi)是否發(fā)生水躍的條件。由表3可知，9個(gè)工況h+0.20-h2值均小于0，說(shuō)明消力池內(nèi)均發(fā)生了稍淹沒(méi)水躍。

表3 消能率正交試驗(yàn)測(cè)量成果表

沿水流方向設(shè)置三個(gè)橫斷面，分別設(shè)置A、B、C三個(gè)縱斷面用以測(cè)量流速與水深，各測(cè)點(diǎn)位置平面圖如圖1所示。

圖1 各測(cè)點(diǎn)位置平面圖

由于工況4、7、9只有流量因素不同，且對(duì)應(yīng)消力池尾檻為直坎，因此只利用三個(gè)工況所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，即可得到流速及水深對(duì)流量變化的影響，三橫斷面流速分布圖如圖2所示。由圖2可得，斷面1- 1及斷面2- 2中縱向A斷面、B斷面及C斷面間的流速具有一定的差異性，都呈中間大，兩頭小的變化規(guī)律，斷面3- 3中縱向A、B、C斷面間流速的變化不明顯。由于斜坡段擴(kuò)散作用的影響，消力池壁槽與水間存在嚴(yán)重的阻力作用，使得中間位置出現(xiàn)水流的主流，斜坡段壁槽的阻力作用對(duì)整個(gè)消力池內(nèi)部水躍段流速的分布都有一定的影響，越向下游，水流動(dòng)能越小，水體質(zhì)量越大，慣性也就越大，躍后的主體仍然存在于消力池的中心部位。

圖2 三橫斷面流速分布圖

同一縱斷面下各橫斷面流速分布圖如圖3所示，由圖3可知，各斷面的流速變化趨勢(shì)差別不大，三種工況消力池兩側(cè)的縱斷面A- A及C- C，流速出現(xiàn)先下降后上升的現(xiàn)象。由于A- A斷面及C- C斷面位于消力池的兩側(cè)，而橫斷面1- 1及2- 2水流受到消力池?cái)U(kuò)散作用以及壁槽阻力的影響較為明顯，均處于水躍發(fā)生段，當(dāng)水流到達(dá)橫斷面3- 3時(shí)，進(jìn)入水躍下游段，水躍過(guò)程已結(jié)束，因此兩側(cè)的水流趨向主流方向，而B(niǎo)- B段水流受消力池?cái)U(kuò)散作用較小，處于消力池主流位置，水流流速逐漸減小。

圖3 同一縱斷面下各橫斷面流速分布圖

不同的工況條件下各個(gè)斷面的水深也呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，各橫斷面水深分布圖如圖4所示。由圖4可得，在橫斷面1- 1和2- 2中，縱向三個(gè)斷面間的水位高度隨著縱斷面間的水深高差變化，且差異較為明顯，表明壁槽對(duì)水流的作用較為明顯，水位呈中間高，兩側(cè)低的規(guī)律，隨著水躍的進(jìn)行，水流動(dòng)能隨著水流的變大而逐漸增大，下游水面逐漸恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，所以橫斷面3- 3的縱向流速間差異較其他橫斷面較小。

圖4 各橫斷面水深分布圖

3.2 消能效果及參數(shù)敏感性分析

由水躍的消能系數(shù)Kj可得到9種工況下的消能率K。消能率計(jì)算成果見(jiàn)表4，由表4數(shù)據(jù)可知，9種工況條件下消能率在24%～32%之間，消力池的弗勞德數(shù)在2.9～3.5之間，水躍不穩(wěn)定，躍后水面波動(dòng)較大，向下游傳播。工況1～3條件下，消能率間差距在3%左右；工況4～6條件下，消能率差距為4%左右；而工況7～9條件下，各工況間消能率差距則減少到2%左右，說(shuō)明尾檻折坡位置與坎度對(duì)消能效果影響較為明顯。

表4 消能率計(jì)算成果表

消能率正交試驗(yàn)直觀分析見(jiàn)表5。由表5中數(shù)據(jù)可知，折坡點(diǎn)位置因素的極差R=0.015，為最小值，說(shuō)明折坡點(diǎn)位置對(duì)消能率的影響程度最小，流量因素的R=0.050最大，說(shuō)明流量對(duì)消能率的影響程度最大，尾檻坡度因素的極差值要小于流量因素，而又稍大于位置因素，表明尾檻坡度對(duì)消能率的影響程度較小。

表5 消能率正交試驗(yàn)直觀分析表

消能率K正交試驗(yàn)方差分析見(jiàn)表6。由表6數(shù)據(jù)可知，P(A)的數(shù)值<0.05，說(shuō)明流量因素對(duì)消能率大小的影響較為嚴(yán)重；P(B)>0.05，表明尾檻折坡點(diǎn)位置對(duì)消能率的影響較小；而P(C)數(shù)值大于0.05而又小于0.2，說(shuō)明尾檻坡度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小，可忽略不計(jì)。

表6 消能率K正交試驗(yàn)方差分析表

4 結(jié)論

通過(guò)正交試驗(yàn)方法，對(duì)9中工況條件下消力池的消能率進(jìn)行了分析研究，并對(duì)消能率的效果進(jìn)行了分析，得到了如下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)理論分析方法的研究及正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，選取了流量、尾檻坡度及尾檻折坡點(diǎn)位置作為三種影響因素，并分別為每一個(gè)因素選擇了三組水平，以圖表的形式分析了流量變化對(duì)整個(gè)消力池內(nèi)水躍、水深以及流速的影響。并對(duì)9種工況條件下的消能率K進(jìn)行了比較，得到了不同流量下尾檻結(jié)構(gòu)對(duì)消能率的影響程度。

(2)流量對(duì)消能率的影響最大，消能率及躍前斷面弗勞德數(shù)Fr1隨流量的增加而減小，隨折坡點(diǎn)位置距尾檻位置的減小而增大。尾檻坡度對(duì)消能率的影響較小，尾檻折坡點(diǎn)對(duì)消能率的影響效果不明顯。

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