一種新型消能結構水力試驗研究

吳福珍 勵澤 祝銀玥

摘 要：針對普通挑流消能效果不突出、造成下游嚴重沖刷等問題，本文在普通溢流壩結構及消能機理基礎上提出了一種新型消能結構，通過分道挑流形式大大提高了消能效率，減少了下游沖刷。并通過室內水力試驗，試驗結果表明，該消能結構消能效果顯著。

關鍵詞：挑流消能;消能結構;消能率;水力試驗

0 引言

水壩是攔截江河水流以抬高水位或調節流量的擋水建筑物，具有調節徑流、防洪、供水、發電、等功能。但水壩泄洪常常是水利工程設計者棘手的問題，地質條件差，挑流消能造成的嚴重沖刷，會使河岸崩塌，甚至威脅主體工程安全。大型水庫泄洪消能更是十分艱巨的任務，普通的消能方式（挑流、底流、戽流）均無法收到良好的消能效果。因此，水壩泄洪消能長期以來一直是水利科技人員非常重視的問題[1-2]。

本文在普通挑流消能溢流壩壩面結構及消能機理基礎上提出了一種新型消能結構，通過物理模型水力試驗，驗證了該新型消能結構消能的高效性，結果可為水壩泄洪消能提供參考。

1 裝置構造及工作原理

1.1 裝置構造

新型消能結構，由溢流壩體、溢流壩面、挑流弧底、低層挑流道、高層挑流道、高層挑流導流道、高層挑流道分水尖組成，分水尖把高層挑流道左右分為兩個高層挑流導流道。溢流壩面到達挑流弧底時分道挑流，低層挑流道曲率半徑大于常規挑流弧面，高層挑流道曲率半徑小于常規挑流弧面，如圖1所示。

1.2 工作原理

新型消能結構工作時，水流從溢流壩頂流出，通過溢流壩面下泄到挑流弧底，經過低層挑流道和高層挑流道分成高低兩股水流及夾帶的氣體，高層挑流導流道把泄流鉛直向挑起的同時將泄流水平向導向低層挑流道方向，通過挑流鼻坎后的射流恰好拋到低層挑流道的射流上方，由于高層挑流導流道的射流高因而近，低層挑流道的射流低因而遠，高層挑流導流道的射流從高處落下恰恰砸到低層挑流道的射流，兩股水流及夾帶的氣體強烈碰撞、摻合，起到高效消除能量作用。為提高消能效果，可以將高低挑流道設置成不同尺寸。

2 新型溢流壩消能效果水槽試驗

2.1試驗場地及試驗模型

試驗在浙江水利水電學院水流動力學試驗室進行，試驗儀器為浙江大學毛根海教授團隊自主研制的自循環供水箱、潛水泵的新型自循環明渠實驗槽（型號：MGU-FF3-2-3），水槽長度l=35cm，寬度b=10.0cm，最大進口流量Q=20m?/h，模型放置于試驗水槽中進行防浪結構沖刷試驗。利用高速相接抓拍試驗中的水流消能形態（佳能750D，EF-S 18-135 1：3.5-5.6 STM）。

試驗模型以某溢流壩為原型高10.8m，模型高10.8cm，模型幾何比尺1：100，按正態、重力相似準則設計，并考慮阻力相似，模型全部采用光敏樹脂材料進行3D打印制作而成（表面處理十分光滑），且模型上設置3條高層挑流道數、4條低層挑流道、3個分水尖以及6條高層挑流導流道，同時制作一個普通的溢流壩結構作為對比試驗，如圖3所示，圖中左側為普通溢流壩模型，右側為新型消能結構模型。

2.2 消能率計算

2.3 試驗一：消能效果對比觀測試驗

采用新型消能結構模型與普通溢流壩模型，進行消能效果對比觀測水槽試驗。利用水槽下的閥門控制上游水位高度，分別觀測上位水位處于高、中、低狀態水流下泄時新型溢流壩結構與普通溢流壩結構在橫截面的挑流形態的區別，印證新型消能結構的消能能力[6]。

（1）低水位下消能效果

試驗時調節閥門控制上游水位為11.5cm，待水位穩定后觀察，利用高速攝像機連續拍攝挑坎挑起水流時的形態，試驗結果如圖3所示，從對比圖中可見，兩股水流碰撞、摻合程度較小。

（2）中水位下消能效果

試驗時調節閥門控制上游水位為12.1cm，待水位穩定后觀察，利用高速攝像機連續拍攝挑坎挑起水流時的形態，試驗結果如圖4所示，從對比圖中可見，兩股水流碰撞、摻合程度明顯變大，消能效果較明顯。

（3）高水位下消能效果

試驗時調節閥門控制上游水位為12.7cm，待水位穩定后觀察，利用高速攝像機連續拍攝挑坎挑起水流時的形態，試驗結果圖5所示。從對比圖中可見，兩股水流碰撞、摻合程度明顯，消能效果顯著。

新型消能結構使下泄水流實現分道挑流，高層挑流導流道的射流從高處落下恰恰砸到低層挑流道的射流，兩股水流及夾帶的氣體強烈碰撞、摻合，水流被明顯的消能，印證了前文所述，并且較普通溢流壩試驗效果而言，消能效率有著實質性提升。

3 結論

通過物理模型水力試驗，發現該新型消能結構具有高效消能的特點，與普通溢流壩結構相比，新型消能結構在上游水流泄下時，利用分道挑流，促使高低挑流道兩股射流相互碰撞，消減大量下泄能量的消能原理，能夠達到很好的消能防沖刷效果。

參考文獻

[1]肖興斌.中小型水利工程消能工的新發展[J].長江水利教育，1995，12（3）：58-63

[2]呂會嬌.玉灘水庫工程溢洪道水工模型試驗研究[J].水利水電工程計，2013，32（1）：43-47

[3]羅佳敏，秦鵬.一種新型護坡結構的防浪消能效果水力試驗[J].浙江水利水電學院學報，2018，30（5）：24-27.

[4]浙江水利水電學院.一種高效泄洪溢流壩壩面結構[P].浙江：ZL 2016 1 0641863.6

[5]吳持恭.水力學 [M].高等教育出版社，2011.

[6]徐兆凱，謝鋒，李東風.攔沙把對上游橋梁沖刷防護的效果測試及分析[J].浙江水利水電學院學報，2017，29（1）：18-23.

基金項目：浙江省水利廳科研基金（RC1923）