单级跌水中舌形坎消能效果试验研究

2017-08-16游丹丹

福建质量管理 2017年1期

关键词：跌水水槽水工

游丹丹

(西华大学能源与动力工程学院四川成都 610039)

单级跌水中舌形坎消能效果试验研究

游丹丹

(西华大学能源与动力工程学院四川成都 610039)

为了探索单级跌水中舌形坎的消能效果。针对单级跌水水流特点，利用有机玻璃制作了含有3组不同弧线长度的舌形坎单级跌水水工模型，并在不同流量和不同跌坎高度下进行多组对照试验研究。试验结果表明设置舌形坎是减小下游水流速度的一种可行方法。试验还得到了不同弧线长度舌形坎在不同流量，不同跌坎高度下的消能规律，提供了在不同流量和不同跌坎高度下，舌形坎的选择建议。该试验结果可以为单级跌水的跌舌布置和设计提供依据。

单级跌水；舌形坎；流量；跌坎高度；消能效果

一、引言

单级跌水广泛存在于许多水利工程中[1]，其设置功能在工程应用上以消能和减缓流速为主，除此之外，其在输水位置调节、农田水利、充氧等方面也发挥着重要的作用。尤其对于渠道工程，常作为集中落差的水工建筑物。由于其流量较小，短时间破坏不明显，但其作用时间长，长期破坏性较大。例如：四川马蹄滩溢流坝下游由于多年跌水的存在，致使消力坝被掏空，造成垮塌。因此，研究跌水消能规律对于减小水流对下游长期冲刷造成的破坏,提高水工建筑物寿命，保证工程长时间安全运行具有重要的实际价值。

关于跌水的研究现状，刘沛清等[2]、孙建等[3]以及英国的郭亚昆[4]对跌水流态进行了深入的研究；但是目前对于跌水消能效果和消能规律的研究却相对较少，因此限制了对跌水消能特性的进一步认识。

本文尝试在跌坎处拼接大小不同的舌形坎，在不同流量和不同跌坎高度下进行水工模型试验，上游河道模型水槽中的水流通过跌坎，落入下游河道后，会形成水跃，通过对下游平均水深的测量，计算出各舌形坎在不同流量和不同跌坎高度下的下游平均流度和水跃消能系数，以进一步研究不同舌形坎作用下的消能规律，有利于舌形坎在实际工程中的应用。

二、水工模型试验

该水工模型试验在西华大学流体及动力机械教育部重点实验室完成。单级跌水适用于跌坎高度为3—5m的水利工程[5]，模型应该以原型尺寸按比尺缩小。根据模型试验的目的和要求，本模型以重力相似准则设计，模型几何比例尺为λL=λH=20。因此模型总长2.5m，模型沿水流方向由上游河道模型水槽，下游河道模型水槽和带直角三角堰水槽三部分组成。上游河道模型水槽总长1m，前端设有一个长40cm，宽30cm,高20cm的溢流式水箱，用于减小管道水流脉动对试验造成的影响，上游河道部分长60cm，宽10cm，高20cm；下游河道模型水槽长90cm，宽20cm，高10cm；带直角三角堰水槽长60cm，宽24cm，高20cm，在顶部设有一底宽20cm，高10cm的直角三角堰；整个水工模型均采用有机玻璃制作。试验模型示意图见图1。

图1 试验模型示意图

本试验采用不同半径的舌形坎，在不同流量和不同跌坎高度下，通过对下游河道模型水槽距离出口处10cm处的下游水深的测量，来探求单级跌水圆弧形跌舌的消能规律。因此，本试验设置了3组舌形坎，为了便于叙述，3组舌形坎编号为1#、2#、3#，舌形坎示意图见图2；对应的舌形坎弧线长度依次为11.1cm，11.8cm和15.7cm。流量大小由模型最后一段的直角三角堰测得，选取下游河道模型水槽发生水跃较为稳定的流量，对应的直角三角堰高度分别为2.5cm，2.75cm和3cm。跌坎高度从15cm到25cm，以1cm为间隔，共计11组跌坎高度。为了提高试验准确性，同一舌形坎，同一流量，同一高度下的下游平均水深测量5次，结果取平均值。试验过程中，三段水槽床面纵向坡降和横向坡降均为0。

图2 舌形坎示意图

三、试验结果与分析

(一)跌落水流形态。对于无舌形坎的情况，跌落水流水层较厚，横向收缩很弱，单宽流量较为分散[6]。

在同一流量下，水流分别沿1#，2#，3#舌形坎下跌时，顺水流方向的弧线长度逐步增大，水流在舌形坎上扩散逐渐增大，跌落水流水层逐渐变薄。由于跌水水流和流速都相对较小，在下跌过程中横向收缩较为明显，且跌坎高度越大，水流横向收缩越大，以至于在入水时形成一股较厚的水柱砸入下游河道模型。

随着流量的增大，水流横向收缩幅度变小，但此时两侧增大的流量在跌落时的收缩会对中间的水流有一个横向的挤压，导致两侧的水舌流速大于中间部分的水舌流速，流态不均匀，使得水舌接触到下游河道模型时，会产生部分反弹水花。

(二)下游平均流速。下游平均流速v由实验测得的下游水深经下式计算得到：

(1)

式中，Q为流量；b为下游河道水槽模型宽，0.2cm；h为下游水深。

流量Q由直角三角堰测得，本试验采用《水工(常规)模型试验规程》[7]中经标准地秤校正后的拟合经验公式来进行直角三角堰流量计算。公式如下：

Q=1.33H2.453

(2)

式中，H为直角三角堰高度，试验所选取的3组高度，2.5cm，2.75cm和3cm经(2)可得分别为：0.156L/s，0.197L/s和0.244L/s。

联立(1)和(2)，可得下游平均流速。

图3为下游平均流速对比图，是根据试验所测的下游水深计算出的3组不同流量下，3组舌形坎和无舌形坎共4组类型在不同跌坎高度下的下游平均流速。从图3可以看到，在同一流量大小下，无舌形坎设置时的下游平均流速均大于有舌形坎存在时的下游平均流速，这说明舌形坎的设置可以有效减小下游的平均速度。

图3 下游平均流速对比图

(三)消能效率

水流经舌形坎跌落至下游河道模型水槽后，从急流过渡到缓流，形成了水跃，且水跃是单级跌水有效的消能方式之一。因此，探求舌形坎水跃消能效率可以对其消能效果进行一个较好的评价。

由于本跌坎高度和流量均为实验的控制变量，因此多组实验结果形成的水跃类型不是唯一的，为了方便计算和讨论，本实验均将水跃形式当做临界水跃处理，因此下游水深h与跃后水深h2相等[8]。

水跃的消能效率用水跃消能系数Kj表示，对于平底矩形的河道：

(3)

式中，Fr1为跃前断面的弗劳德数。

(4)

式中，h1为跃前水深。

(5)

式中，Fr2为跃后断面的弗劳德数。

(6)

本文联立式(3)～(6)可以计算出水跃消能系数Kj，计算结果如图4消能效果对比图所示。从图4中可以看到，舌形坎的设置，能明显提高跌水的消能效率；随着流量的增大，3组舌形坎整体的消能效率均出现下降，这是正是由于流量的增加，水舌两侧水流向中间收缩挤压，使水舌碰撞下游河道底部产生的水花破坏了水跃，从而整体消能效率下降。

通过比较可见，在同一流量大小下，随着跌坎高度的增加，水跃消能系数Kj都呈现先增加后减小的规律；在小流量的情况下(a)，4组跌坎形成的水跃大部分处于不稳定消能区，少部分处于稳定水跃区，此时弧线长度大的3#舌形坎消能效果最好；而随着流量的增加(b、c)，4组跌坎形成的水跃几乎全部处于弱水跃区，此时弧线长度小的1#舌形坎的消能效率最好。