钢筋石笼与混凝土消力池消能率对比试验研究

2014-09-05田振华张术彬

黑龙江水利科技 2014年11期

关键词：石笼消力池水位

田振华，张术彬，韩雷

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

钢筋石笼与混凝土消力池消能率对比试验研究

田振华，张术彬，韩雷

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

通过水工模型试验，研究了平原河道低佛氏数下，钢筋石笼与混凝土两种消力池结构的消能效果。试验对比分析了两种结构下的水跃长度及形态、消能率等水力参数。试验结果表明：对于低弗氏数平原河道水流而言，上下游水位差对水跃长度与形态影响显著。上下游水位差较大时，混凝土比钢筋石笼护坦更容易产生远驱水跃，上下游水位差较小时，两种结构均产生明显的波状水跃；钢筋石笼的消能效果优于混凝土。

水跃；钢筋石笼；混凝土；低佛氏数；消能率

0 引言

对于低水头的平原河流而言，一般水利枢纽工程都采用闸坝相结合的布置方式。由于水闸泄流的特点多为水头差不大，但尾水变化幅度大，闸门开启调度过程中，能形成由急流到缓流的多变流态；而平原河道上的低的挡水坝主要是抬高河水位，河流在枯水时能自流入渠道，在洪水时让多余的河水通过泄洪闸坝下泄，因此闸坝下游水跃前后的佛氏数一般较低[1]。底流消能作为国内外最常采用的一种低水头消能形式，其消能率与佛氏数Fr有关。Fr<4.5时泄水建筑物下游通常无法形成稳定水跃，一般称为低佛氏数水跃，其消能率低，大量余能流向下游，对下游河床产生严重冲刷破坏，跃后断面的垂线流速分布不均，且底部流速大，当下泄水流挟带粗颗粒推移质时，常对消力池底板形成较强烈的磨蚀；跃后水面波动较大，甚至产生多股射流上下摆动，并向下游传播，淘蚀、冲刷下游河岸。

因此，对平原河道低佛氏数下的水流的消能防冲的研究是有意义的。本文对工程中经常采用的钢筋石笼与混凝土两种护底下的消能效果，通过水工模型试验的研究方法，做了对比分析，得出两种护底下的消能率，对实际工程有一定的指导意义。

1 试验设计

1.1 实验模型设计及几何参数

试验以某渠首工程为原型进行对比试验研究。模型试验在黑龙江省水利科学研究院水利新技术试验室内的玻璃水槽内进行。模拟范围定为上游180 m，宽40 m，平底河床；消力池长20 m，宽40 m，海漫长30 m；海漫后河床长240 m，宽均为40 m。为正态模型，按重力相似准则进行设计，模型比尺为1∶40，模型的主要比尺关系如表1所示。溢流坝坝高2 m，采用有机玻璃制作，经过按比尺放样、切割、定型、安装等工序，完成模型的制作。

表1 模型主要比尺关系

模型试验为定床模型，河床采用水泥砂浆制作地形。上下游河床为同一高程，制作时不考虑河道比降。由于原型下游消力池、海漫采用钢筋石笼结构。因此在模型制作中采用钢丝网，网孔尺寸按1∶40缩尺，笼内填充块石在模型中使用粒径缩尺后的碎石模拟。消力池、海漫尺寸与结构均按工程实际资料相应缩尺制作。

1.2 护坦型式与试验方案

试验所采用的钢筋石笼与混凝土两种结构型式，除制作材料不同外，结构尺寸相同。详细尺寸如图1所示。对于钢筋石笼结构，试验中选用Φ0.3钢丝，网孔为6 mm×6 mm，填充碎石粒径10 mm，厚度为120 mm；对于混凝土结构，按照相似率的要求，选择糙率为0.008的有机玻璃板来模拟原型的混凝土。

图1 工程纵剖面图(上)、平面布置图(下)

1.3 量测设备

模型流量采用传统矩形量水堰量测。模型流速观测采用南京水利科学研究院研制的NKY02—1型螺旋桨式测速仪流速仪量测，水面线采用精度为0.1 mm的测针测量。

1.4 试验工况

断面模型试验采用对比研究的方法进行。钢筋石笼与混凝土护底均采用相同流量的自由出流对比研究，在上游水位相同时，对比分析了两种消能型式下的水跃形态与长度、中轴线断面流速、佛氏数、消能率，以及自由出流与淹没出流的分界点。具体试验方案如表2所示。

表2 试验方案

2 试验结果

2.1 不同结构型式下的过流能力

分别对两种护底下的过流能力进行试验研究，在保持相同的上游水位，试验得出了两种护底下的水位-流量关系曲线，如图2所示。从图2中可以看出，在保持相同的上游水位下，混凝土护底的过流能力稍微大于钢筋石笼，随着上游水位的从3.0 m升高至5.0 m，其过流能力也从7 m3/s的差距提高至26 m3/s，从图2可以看出，单从过流能力方面来讲，混凝土较钢筋石笼略有优势。

图2 两种护坦下的水位-流量关系曲线

2.2 水跃流态及水跃长度

水跃的流态与跃前弗汝德数和下游尾水有直接的关系，因此在不同来流与下游尾水条件下，消力池内形成稳定的水跃的形态，通常采用不同于传统的消力池体型。

水跃长度Lj，如图3所示，是指跃前断面与跃后断面之间的距离。试验采用实际量测的方法得到水跃长度。在试验中先判断跃前断面和跃后断面的位置，再使用直尺测量两断面间距离，即得水跃长度。

试验中，分别对上游堰上水头1 m、2 m、3 m各工况下，采用尾门控制下游水位的试验方法，得出了两种结构形式下相同上下游水位差时，各自的水跃长度及形态下游流态，波状水跃流态如图4所示。试验结果如表3所示。

图3 水跃长度

图4 过坝水流流态(波状水跃)

表3 过坝水流的水跃长度及形态

注：(波)波状水跃；(淹)波状水跃；(临)临界水跃；(远)远驱水跃。

远：下泄急流在收缩断面后经历一段壅水才发生的水跃，其跃前断面远离收缩断面。

临：跃前断面位于收缩断面的水跃。

波：急流弗劳德数较小，水面跃起呈波状向缓流过渡，未能形成表面旋滚的水跃。

淹：水流由急流向缓流过渡，下游水深大于临界水跃的跃后水深时，表层旋滚涌向上游，淹没收缩断面所形成的水跃。

从试验结果来看，下游水位对水跃形态的影响明显。当上游来水量较大，下游水位较浅，上下游水位差较大时，混凝土比钢筋石笼更容易产生远驱水跃。波状水跃最大值为17.2 m，发生在坝上水头为2.0 m，上下游水位差为0.4 m的石笼护底形式上，而最小值也同样发生在石笼护底上，此时上游水头为3.0 m，上下游水位差为0.6 m，因此石笼护底较混凝土护底对跃长影响更加明显。随着上下游水位差的降低，水跃形态逐渐由淹没水跃向波状水跃转化。随着坝上水头的增加，石笼护底其波状水跃的长度变化呈现短长短趋势，而混凝土护底下却出现长短长的趋势；而其淹没水跃则呈现出石笼护底明显小于混凝土护底。

2.3 消能率

水力学伯努力方程：

(1)

消能率计算是通过计算试验中坝前和坝后的机械能，他们之间的差值即hw是机械能损失，通过能量损失与坝前机械能的比值计算其消能率。

坝前机械能：

(2)

出消力池后机械能：

(3)

水流消能率计算公式：

(4)

试验得出了，坝上水头分别为1.0 m、2.0 m、3.0 m时，不同上下游水位差影响下水跃末端、消力池末端、海漫末端下的消能率，如表4所示。消能率与上下游水位差关系见图5。

由表4与图5可以得出，对于低水头的平原河道而言，两种护底结构的消能率总体不高，最大消能率≤50%。最大消能率发生在坝上水头为2 m，上下游水位差为2 m时，此工况下消能率最高；而最小消能率则发生在坝上水头为1.0 m，上下游水头差为0.2 m时其消能率仅为6.5%左右；因此上下游水位差对消能率的影响明显，随着尾门的启闭，上下游水位差逐渐减小，其消能率亦逐渐变小。不同位置处的消能率水跃末端>消力池末端>海漫末端。从表中明显看出，相同工况下，石笼护底的消能效果优于混凝土护底，主要原因在于，钢筋石笼护底相对混凝土护底来讲，增加了消力池底部糙率，有效的降低了过坝水流流速，降低了坝后水流的动能，表观上呈现出波状水跃的形态，使得水流机械能以简谐振动波的形式向下游传播。