透水丁壩在溢洪道泄槽彎道段的應(yīng)用與優(yōu)化

趙凱

（遼寧北方環(huán)保建設(shè)工程有限公司，遼寧鐵嶺112000）

1 工程概況

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)

在試驗(yàn)過程中，結(jié)合水庫(kù)的實(shí)際情況，建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，探究在溢洪道泄槽彎道段設(shè)立透水丁壩在改善水流流態(tài)方面的效果，并分析位置、角度和條數(shù)的具體影響，以獲取最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)中依據(jù)重力相似準(zhǔn)則并按照1∶60 的比尺進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)[4]，模型的制作范圍包括溢洪道進(jìn)水段、泄槽段以及上下游連接段。為了擬合溢洪道混凝土糙率，溢洪道各段均采用有機(jī)玻璃制作，誤差不超過1%，其余部分均采用PVC 板材制作，誤差不超過2%[5]。試驗(yàn)過程中使用刻度尺測(cè)量水深，流量則采用寬薄壁量水堰測(cè)量，試驗(yàn)流速采用畢托管測(cè)量[6]。透水丁壩采用厚1 cm 的PVC板制成，斷面為長(zhǎng)20 cm、高6 cm 的矩形，透水孔為直徑1.4 cm 的對(duì)稱分布圓孔。

2.3 試驗(yàn)方案

此次試驗(yàn)主要是研究透水丁壩參數(shù)對(duì)溢洪道泄槽段彎道水流形態(tài)的影響，結(jié)合溢洪道設(shè)計(jì)資料，透水丁壩的長(zhǎng)度、高度以及透水率參數(shù)已經(jīng)確定。因此，此次研究主要考慮其角度、位置以及數(shù)量的具體影響[7]。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和資料，選擇溢洪道泄槽段彎道凸岸1/4，1/2 和3/4 部位，透水丁壩的角度也就是丁壩本身與泄槽段彎道在該點(diǎn)的切線的夾角，選擇45°，60°，75°等3 個(gè)數(shù)值，丁壩數(shù)量為1 個(gè)、2 個(gè)和3 個(gè)。設(shè)置無丁壩方案作為其余方案的比較方案[8]。每種試驗(yàn)方案設(shè)置50，80，100，120，150 m3/h 等5 種不同流量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同布置角度

利用試驗(yàn)中獲取的水深數(shù)據(jù)，計(jì)算出彎道水面均勻度，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖1 所示的不同布置角度下的水面均勻度變化曲線。由圖1可知，相對(duì)于沒有丁壩設(shè)置的工況，在設(shè)置透水丁壩的條件下，水面均勻度明顯增大。同時(shí)，水面均勻度總體而言會(huì)隨著單寬流量的增大而增大。這說明，設(shè)置透水丁壩可以對(duì)改善水流流態(tài)起到明顯的改善作用。而且，在大流量情況下，水面均勻度會(huì)隨著布置角度的增大而增大，也就是布置的最佳角度為75°，其次是60°，45°的效果最差。

圖1 不同布置角度下的水面均勻度變化曲線

利用試驗(yàn)中獲取的水深數(shù)據(jù)，計(jì)算出彎道水面最大橫比降，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖2 所示的不同布置角度下的水面最大橫比降變化曲線。由圖2 可知，透水丁壩布置在彎道1/4 部位時(shí)，布置角為60°時(shí)的水面最大橫比降最??；其余兩個(gè)位置下，布置角為75°時(shí)的水面最大橫比降最小，且明顯小于無丁壩設(shè)計(jì)工況下的水面最大橫比降。綜合上述，透水丁壩在彎道的1/4 位置時(shí)，最優(yōu)布置角度為60°；在彎道的1/2 和3/4 部位時(shí)，最優(yōu)布置角度為75°。

圖2 不同布置角度下的水面最大橫比降變化曲線

3.2 透水丁壩個(gè)數(shù)

固定最優(yōu)布置角度不變，設(shè)置不同的位置、不同條數(shù)透水丁壩，通過模型試驗(yàn)的方法獲得透水丁壩條數(shù)對(duì)彎道水面流態(tài)的改善情況。為了方便表示，將彎道1/4、1/2 和3/4 部位設(shè)置的透水丁壩分別編號(hào)為丁壩1、丁壩2、丁壩3。例如，單丁壩2表示在彎道1/2 部位設(shè)置1 條透水丁壩；雙丁壩13表示分別在彎道的1/4 和3/4 部位分別設(shè)置1 條透水丁壩，共2 條丁壩。

對(duì)不同透水丁壩數(shù)量工況下的泄槽段彎道水深進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出彎道橫比降的平均減少率?？傮w而言，彎道橫比降的減少率會(huì)隨著丁壩數(shù)量的增多而增加，說明丁壩數(shù)量越多，改善彎道水面流態(tài)的效果越好，特別是設(shè)置3條透水丁壩的情況下改善效果最佳。例如，在單寬流量為160 m2/h 的情況下，單丁壩的橫比降平均減少率的最大值為55.63%，雙丁壩的橫比降平均減少率的最大值為58.68%，三丁壩的橫比降平均減少率為64.21%；在單寬流量為240 m2/h 的情況下，單丁壩的橫比降平均減少率的最大值為49.89%，雙丁壩的橫比降平均減少率的最大值為54.23%，三丁壩的橫比降平均減少率為60.21%。

此外，在泄槽彎道段的3/4 部位設(shè)置透水丁壩的條件下，無論其他條件如何，泄槽段彎道橫比降平均減少率均表現(xiàn)為大幅提升，這說明彎道3/4 部位設(shè)置透水丁壩對(duì)改善水面流態(tài)具有十分顯著的作用。究其原因，透水丁壩主要通過改變彎道部位的水流流向，將部位凹岸部位的部分水流導(dǎo)向凸岸，從而有效減少兩側(cè)的水面高度差。由于彎道1/4 部位剛剛形成彎道環(huán)流，因此兩岸水面高度相差不大，因此設(shè)置透水丁壩的效果十分有限。而彎道的1/2 和3/4 部位已經(jīng)充分形成彎道環(huán)流，兩岸的水面高度差較大，因此設(shè)置透水丁壩可以獲得顯著的效果。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算不同工況下的彎道水面均勻度提高率，總體而言，彎道水面均勻度提高率會(huì)隨著丁壩數(shù)量的增多而增加，說明丁壩數(shù)量越多，改善彎道水面流態(tài)的效果越好，特別是設(shè)置3 條透水丁壩的情況下改善效果最佳。例如，在單寬流量為160 m2/h 的情況下，單丁壩的水面均勻度提高率最大值為11.28%，雙丁壩的水面均勻度提高率最大值為21.04%，三丁壩的橫比降平均減少率為26.29%；在單寬流量為240 m2/h 的情況下，單丁壩的水面均勻度提高率最大值為10.71%，雙丁壩的橫比降平均減少率的最大值為15.34%，三丁壩的橫比降平均減少率為22.53%。此外，在丁壩數(shù)量相同的條件下，透水丁壩的布置位置越靠近下游，泄槽段彎道水面均勻度提高率越大，說明改善水面流態(tài)的作用越強(qiáng)。

4 結(jié)論