不同流量下水工建筑物排水結構消能研究

吳斯優

(揭陽空港經濟區水利水電工程技術管理服務中心，廣東 揭陽 522000)

消能是在泄水建筑物和落差建筑物中，防止或減輕水流對水工建筑物及其下游河渠等的沖刷破壞而修建的工程設施，其目的是為了消耗、分散水流的能量[1-2]。目前，排水管道水流消能的計算方法、水流消能結構的選擇、水流湍流的消除等問題是水利工程重點研究的幾個關鍵問題。在修建水利工程時，必須要動態計算排水設施內水流臨界參數的相對大小、水流能量消能結構的位置[3-4]。同時，還要適當選擇泄水設施水流消能設計方案，確定水流對構筑物的動水應力，開展新的排水構筑物試驗研究，并進行科學計算。

目前，國內外學者對此展開了部分研究。楊堂坤[5]針對大斗水庫V形橫向谷特點, 對溢洪道整體布置和結構體形的設計方案展開詳細計算和論證分析，結果表明，在大壩右側埡口處布置岸邊不設閘開敞式溢洪道的方案合理,各工況下消能和防沖刷效果良好。沈明等[6]通過水工模型試驗,對泄洪兼導流洞在不同水位下單孔、雙孔開啟的泄流能力進行了驗證,并對消能防沖結構設計進行了分析，試驗表明,出口雙孔弧門結構可滿足泄流能力要求,消能防沖建筑物在消能效果和水流流態上都達到令人滿意的效果。王超逸[7]以澤雅水庫增設泄水隧洞工程為例,通過水工模型試驗,根據水力相似原理,著重研究水庫蓄水位101.97、97.97、59.97 m工況下兩種出口消能結構(挑流消能、底流消能)水流流態對下游河床的沖刷情況，驗證消能結構設計參數的合理性, 并對比兩種消能形式的效果；陳平川[8]從消能形式選擇、消能工結構尺寸擬定、消能參數計算及水工模型試驗等方面,對頌東水電站泄洪消能進行了設計分析。楊長春[9]等結合調洪計算成果得出泄洪洞與溢洪道按近3∶7比例聯合泄洪,均采用連續鼻坎挑流消能,泄流能力滿足要求,各工況下消能和防沖刷效果良好。

本文針對水工建筑物的消能結構進行優化設計，研究不同水流條件下的水力參數和流動狀態動力學規律，同時短通道中水流的運動動力學、場中的消能動力學以及連接處的過剩動能面積，研究成果可為相關水利工程提供參考。

1 消能設計方法分析

在現有水利和水電設施的運行中，盡管給排水設施的設計相對簡單，但物理建模階段尺度大，因此結構的可靠性高。當建造一個實驗裝置時，小尺寸能夠降低試驗成本。但水流有一個自由表面，重力和摩擦力在其中起著重要作用，其收縮增加了表面張力和摩擦力對水流運動的影響。為了克服這個影響，實驗要求比例系數為50～60，水管中的流量系數值小于5%，水流量大于6.5 mm，并且水流表面的平滑度要求較高。在上述規定的條件下進行實驗，以便在排水設施的水流性能研究中獲得準確的結果。此外，在水力性能研究的物理建模中，應當滿足幾何相似性條件、初始和邊界條件、與形成水流所涉及的力以及相對應的動力學和運動學定律。

根據研究人員大量的實驗和理論研究得到的結構連接處外部水躍過程，建議在河床未受到沖刷的基巖處修建排水設施，以外部水力跳躍的形式連接到地表，同時也發現了大壩的缺點。其中一個主要缺點是水躍現象由幾種類型組成，結構下部的水流在很小的范圍內改變深度，所有類型的外部水躍都發生在該范圍內。當海灣以外部水力跳躍的形式連接時，水位波動遠高于連接到盆地底部時的水位波動，導致水電站的能源生產效率降低，下部海灣的海岸沖刷強度增加。此外，排水系統下游安裝的水動力消能器效率低，以外部連接的形式實施外部連接液壓跳躍會降低操作模式，不會產生預期結果。

2 消能結構設計與實驗參數

圖1 水工結構物

在研究開始時，研究了流量變化規律和不同消耗值下運動模式的變化范圍。本研究的一個特點是在研究過程中，確保水躍現象的產生不是通過水流通道連接形成的，而是通過結構的實際操作條件形成的。在此種情況下，研究對象主要由弗勞德數、水動力學參數、計算消能的動力學、水工建筑物相對大小決定。本文的水流速度是垂直測量的，同時水流監控視頻與水文測量相結合測量，每個閘門頂部的水密度采用相同的顏色，以便詳細觀察水流運動的變化。此外，試驗中的水力參數包括耗水量Q，相對耗水系數K0(無量綱，耗水量與總流量之比)和平均流速v等，具體見表1。圖2為實驗裝置圖。

表1 試驗參數

圖2 實驗裝置圖

3 試驗結果分析

圖3為消耗量Q=3.90 L/s時的水流運動。由圖3可知，安裝在下游排水結構末端的結構物產生的水流呈現出單一過境流的形式，占據河道寬度的一半，此外在河岸一側還觀察到水循環的形成。水循環影響了水流的運動，導致其在加固區域內擴散，水循環反向速度的最大值與過境流速的值相當。逆流的最大流速比過境流的最大流速小50%～55%。圖4為消耗量Q=6.90 L/s時的水流運動。由圖4可知，注水井中出現氣泡狀水躍，邊緣處的中壁被掩埋，河流的傳播是對稱的，在導流墻兩側形成強大的水循環。這些漩流開始擠壓兩側的過境流，最大流速為水循環最大流速的86%。此外，對水流垂直速度分析表明，結構的下部沖擊力在盆地重新形成垂直速度圖，并在外部連接模式下呈現出湍流形式。

圖3 消耗量Q=3.90 L/s時的水流運動

圖4 消耗量Q=6.90 L/s時的水流運動

圖5為消耗量Q=10.07 L/s時的水流運動。由圖5可知，在實驗方案Ⅰ中，水流以與水沖擊壁平滑接觸的方式運行；在實驗方案Ⅱ中，水流直接越過結構物。在這種情況下，主流沿著截面的墻壁移動，而在中心移動的水流不斷改變其方向，形成的小型水循環被推向封閉段，而大型水循環被推向排水結構外端，并與該區域的主流匯合。圖6為消耗量Q=11.6 L/s時的水流運動。在這兩種方案中，均形成了水循環核，并觀察到流動傳播。右岸水循環規模小于左岸水，被推至加固區；右岸的水循環較大，壓縮和變形了過境流，并觀察到相對于河流軸線向左移動。水循環和運輸流量之間的差異為70%，排水結構外端的流量降低至13%。水流開始從無障礙段和封閉段流入穿過結構物的過境流。此外，水流被壓縮，導致流底部附近的平均速度增加。根據流量Q=13.87 L/s的混合方案結果(因篇幅原因未給出)，沿中間墻和河流5個部分的區域觀察到過境流。在右岸擋土墻區域觀察到較小的幾何尺寸水循環，在左岸加固區域形成較大的水循環。

圖5 消耗量Q=10.07 L/s時的水流運動

圖6 消耗量Q=11.6 L/s時的水流運動

此外還觀察到，由于大的水循環對過境流的影響，其動力軸是彎曲的。在第一個變量中，沿著河底流動的平均流速比表面流速高62%；在第二個變量中，平均流速比表面流速高73%。

4 結 論

本文針對水工建筑物的消能結構進行了優化設計，研究了不同水流條件下的水力參數和流動狀態動力學規律，研究了短通道中水流的運動動力學、場中的消能動力學以及連接處的過剩動能面積。研究成果表明，不同的流量下，水流的動力變化規律有明顯差別。當消耗量Q=3.90 L/s時，逆流的最大流速比過境流的最大流速小50%～55%；當消耗量Q=6.90 L/s時，注水井中出現氣泡狀水躍，邊緣處的中壁被掩埋，河流的傳播是對稱的，在導流墻兩側形成了強大的水循環；當消耗量Q=10.07 L/s時，主流沿著截面的墻壁移動，而在中心移動的水流不斷改變其方向，形成的小型水循環被推向封閉段；而當消耗量Q=13.87 L/s的混合方案結果(因篇幅原因未給出)，沿中間墻和河流5個部分的區域觀察到過境流。在右岸擋土墻區域觀察到較小的幾何尺寸水循環，在左岸加固區域形成較大的水循環。