透水斜槛参数对溢洪道弯道水流改善效果的影响

张 靖，滕晓敏，张庆华

(1.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018； 2.济南大学水利与环境学院，山东 济南 250022)

在溢洪道弯道布置斜槛是改善弯道水流的工程措施之一，利用斜槛可以对弯道中流动的水流特性进行调整，比如消减冲击波，减小横断面上的水位差等。国内外对此进行了较多的研究，取得了较为丰富的研究成果。Knapp[1]首次提出在弯道底部沿渠底横向设置与水流方向呈一定角度的斜墙(即斜槛)来调整弯道水流，用来降低弯道凹凸岸水面差；陈鑫荪[2]为解决输水洞弯道急流中出现的冲击波，提出用多排斜槛迫使弯道内的高速水流转向，以此来抵消冲击波的形成；杨玲霞等[3]对斜槛的形状进行改进，用梯形断面的斜槛来调节弯道水流中的水流运动与流场分布；吴宇峰等[4]探讨了不同斜槛参数因素对导流效果的影响；张领护[5]结合实际工程对弯道内布置不同条数的斜槛、不同斜槛布置角度的弯道水流调整效果进行了研究；魏明方等[6]在凤凰水库采用了导流墙与渠底抬高综合的方法，改善弯道各断面的动量分配，减小了因急流弯道而形成的冲击波作用；余雄杰等[7]在凤凰水库溢洪道中泄槽弯道1/4、2/4、3/4处布置了3条角度为50°的斜槛，试验表明使用此方法可以明显改善弯道水流；周勤等[8]用数值模拟方法对弯道采用斜槛结合斜底方案的水流改善效果进行了模拟和探讨；张洁[9]在改善溢洪道弯道水流措施中，研究了在弯道均匀布置5条角度为45°的斜槛对弯道水流的改善效果；周星等[10]以某核电站厂区山洪消能工程为例，探讨了斜槛的间距、角度等影响斜槛设计的因素，并根据试验结果提出了合理的斜槛设计方法；王鑫等[11]比较了布置5道矩形与梯形斜槛的弯道流态调整效果，认为矩形斜槛优于梯形斜槛；Pagliara等[12]通过物理模型试验，研究了堆石形成的斜槛的水流特性，并对冲刷效果进行了研究；张婧等[13]通过对不同形状结构体对河道水流在占宽度比、阻流面积比和阻流流量比等方面的影响进行了研究；滕晓敏等[14-15]对溢洪道泄槽弯道布置透水斜槛的水流特性及水流改善效果进行了试验研究。

以上研究表明，斜槛是改善溢洪道弯道水流条件的有效工程措施之一。但由于不透水斜槛在高速水流情况下，斜槛背水一侧可能出现无水低压区，发生气化现象，从而造成对斜槛的破坏[16]。因此，本文提出了透水斜槛，并对弯道水流改善效果进行了初步分析[15]。在此基础上，分析槛高、斜槛透水率、斜槛条数对弯道水流改善效果的影响，为进一步研究透水斜槛及其工程应用提供参考。

1 试验方法

1.1 试验模型

试验模型主体为溢洪道泄槽，包括上下游直段和弯道段。模型泄槽采用矩形断面，净宽b=500 mm，弯道中心线半径R=1 200 mm，中心角为71.62°，底坡为0.02。透水斜槛在弯道段等间距布置，斜槛轴线与弯道半径角度为45°。透水斜槛方案设计考虑的因素包括斜槛条数、槛高、斜槛透水率(斜槛透水孔面积与斜槛面积之比)等，试验方案见表1，其中槛高h=20 mm、30 mm、40 mm分别为低槛、中槛、高槛方案，方案16弯道段不采用任何工程措施，为对比方案。图1为5条透水斜槛布置示意图。透水斜槛为矩形断面，长度为710 mm(与弯道凹凸岸不连接)，厚度为10 mm，采用圆形透水孔，透水孔径见表1。

图1 溢洪道弯道斜槛布置(单位：mm)

表1 透水斜槛试验方案

1.2 试验测量

a.水位测量。模型段垂直水流方向设置17个测量横断面(图2)，其中弯道段均匀布置13个横断面，断面编号为3—3、4—4、…、15—15。沿水流方向对称布置5条纵向测线(A—A、B—B、…、E—E)，包括泄槽底板中心线、距中心线两侧1/4槽宽处、左右边墙处纵横断面的交点为水位测点。水位测量采用重庆华正水文仪器有限公司生产的SX40-1型数显水位测针。

图2 水位测点布置

b.试验流量。每个试验方案的5种流量分别为50 m3/h、80 m3/h、100 m3/h、120 m3/h和150 m3/h，试验流量满足溢洪道泄槽水流为急流的条件，即不设置斜槛时，溢洪道弯道开始处的弗劳德数Fr大于1.0。

2 结果与分析

2.1 分析指标

以弯道水面均匀度、弯道水面均匀度提高率、弯道横断面最大水面差及弯道横断面最大水面差减少率4个指标分析透水斜槛参数对弯道水流改善效果的影响[13-15]。

弯道水面均匀度按下式计算：

(1)

(2)

弯道水面均匀度提高率按下式计算：

(3)

式中：fc为弯道水面均匀度提高率；fcj为第j个横断面的水面均匀度提高率；fwej、fwnj分别为有、无斜槛情况下第j个横断面水面均匀度。

弯道横断面最大水面差按下式计算：

Δhm=max|hj1-hj2|

(4)

式中：Δhm为弯道横断面凹凸岸最大水面差；hj1、hj2分别为弯道第j个横断面处凹、凸岸水深。

弯道横断面最大水面差减少率按下式计算：

(5)

式中：fd为弯道横断面最大水面差减少率；Δhme、Δhmn分别为有、无斜槛情况下弯道横断面最大水面差。

2.2 水面均匀度、水面均匀度提高率、最大水面差减少率影响分析

依据各方案5种流量下测量断面测点水深的试验结果，得到各试验方案的水面均匀度、水面均匀度提高率、最大水面差减少率，见表2。由表2可知：①各种透水斜槛条件下弯道水面均匀度均大于无斜槛条件，水面均匀度提高率及最大水面差减少率均大于0；②弯道布置透水斜槛后水面均匀度介于86.6%～94.4%之间，水面均匀度相比之前提高了16.9%～40.5%，最大水面差减少率超过25.9%。说明弯道布置透水斜槛能够改善弯道水流，使弯道水流更加均匀，因此弯道设置透水斜槛是可行的。

表2 不同斜槛条数、不同槛高下的水面改善效果

2.2.1斜槛条数的影响

依据表2可知：①最大水面差减少率随着弯道布置斜槛数量的增加而增加；②斜槛条数对均匀度和提高率影响较小，对水面差减少率影响较大。

2.2.2槛高的影响

依据表2可知：①最大水面差减少率随着弯道布置槛高的增加，弯道水面改善效果指标增加。②槛高对均匀度和提高率影响较小，对水面差减少率影响较大。③不同的槛高，水面差减少率差别较大。虽然斜槛数量对弯道水面均匀度和提高率也有一定的影响，但当斜槛数量超过一定条数时，其影响并不大。由表2可知，4条和5条斜槛的弯道水面均匀度平均值分别为92.8%、93.2%，相差仅为0.4%，水面均匀度提高率平均值分别为30.8%、31.3%，相差仅为0.5%。

2.2.3斜槛透水率的影响

表3为5条斜槛时不同透水率下的水面改善效果，表中各水面改善效果值均采用5种流量的平均值。由表3可知：透水率对弯道水面均匀度改善效果有一定影响，但不同槛高透水率的影响规律不一样，低槛(槛高20 mm)条件下，透水率越低弯道水面改善效果越好；而中高槛(30 mm、40 mm)条件下，透水率大的相对较好，但不同透水率相同流量、槛高条件下，弯道水面均匀度及提高率值差别不大。低槛条件下透水率对水面改善效果影响较大，透水率越低越好；而中高槛不同透水率之间水面的改善效果差别不大。因此，就槛高和透水率而言，槛高是影响弯道水面改善效果的主要因素。

表3 5条斜槛不同透水率下的水面改善效果

2.2.4Fr的影响

根据试验结果，绘制不同斜槛条数及槛高条件下，Fr分别为1.35、1.28、1.23、1.22、1.19时的水面均匀度提高率，见图3。由图3 可知，相同斜槛条数下，弯道水面均匀度提高率随来流的Fr增加而增加。由此说明，弯道来流的Fr对弯道水面改善效果有影响，Fr越大，水流改善效果越明显。

2.3 弯道横断面最大水面差分析

2.3.1斜槛透水率的影响

根据弯道布置5条斜槛的水深试验结果，绘出槛高分别为20 mm、30 mm、40 mm，不同流量、不同斜槛透水率条件下，弯道横断面最大水面差如图4所示。

图4 不同流量、不同透水率下弯道段横断面最大水面差

由图4可知：①各种槛高和透水率情况下，弯道设置透水斜槛后的最大横断面水面差均小于弯道无斜槛情况；②除个别情况(槛高30 mm，流量80 m3/h)外，斜槛透水率最小的弯道横断面水面差最小，透水率最大的斜槛弯道横断面水面差最大；③不同透水率的弯道横断面最大水面差值差别较大(流量50 m3/h除外)，不同透水率的弯道横断面最大水面差值相差不大；④最大水面差出现4处负值，即凸岸水面比凹岸高，而且槛高越大、流量越小，越容易出现这种情况。

上述分析说明：透水斜槛能够减少弯道横断面最大水面差。一般情况下，透水率越少弯道横断面最大水面差越小、减少率越大，但从最大水面差的数值看，低槛的不同透水率对水面差的影响较大，而中高槛条件下不同透水率之间的差别不大。另外，中高槛在小流量条件下，弯道横断面最大水面差可能出现负值，即在最大水面差断面凸岸水面比凹岸高。

2.3.2槛高的影响

根据试验结果，得出弯道分别布置3条、4条、5条斜槛，槛高分别为20 mm、30 mm、40 mm条件下，弯道横断面最大水面差及减少率，如图5所示。

图5 不同斜槛条数及槛高下弯道段横断面最大水面差

由图5可知：①各种斜槛条数及流量条件下，不同槛高对应的弯道横断面最大水面差有较大的差别，以槛高40 mm的水面差最小(除3条斜槛流量150 m3/h外)，槛高20 mm的最大(除3条斜槛流量80 m3/h、100 m3/h外)；②4条斜槛在流量50 m3/h、5条斜槛在流量50 m3/h、80 m3/h、100 m3/h时，弯道最大水面差为负值。说明当流量一定时，增加槛高和条数能够使凹凸岸水面改变，使凸岸水面高于凹岸水面。

上述分析说明，槛高对断面最大水面差有较大影响，相同流量条件下，槛高越大横断面最大水面差越小，而且当斜槛达到一定数量时，中高槛在小流量条件下，弯道横断面最大水面差可能出现负值，即最大水面差所在断面的凸岸水面比凹岸高。

2.3.3透水斜槛数量的影响

根据试验结果，得出弯道槛高分别为20 mm、30 mm、40 mm，不同斜槛条数条件下弯道横断面最大水面差及减少率，如图6所示。由图6可知：①除个别情况外，5条斜槛的弯道横断面最大水面差最小，3条斜槛的最大，而且从水面差数值看差别较大；②当斜槛条数增加到一定数量时，最大水面差所在断面的凸岸水面高于凹岸。由此说明，弯道布置的斜槛数量对横断面最大水面差有影响，一般情况下斜槛数量越多，弯道横断面最大水面差越小，斜槛数量达到一定数量时，最大水面差断面的凸岸水面高于凹岸。

图6 不同斜槛条数下弯道段横断面最大水面差

2.3.4流量的影响

根据试验结果，绘制弯道分别布置3条、4条、5条斜槛，以及50 m3/h、80 m3/h、100 m3/h、120 m3/h、150 m3/h 这5种流量下的弯道段最大水面差，如图7所示。由图7可知，相同斜槛条数、相同槛高和透水率条件下，弯道段横断面最大水面差随流量的增大而增大。

图7 不同流量下弯道段横断面最大水面差

2.4 弯道水面改善效果预测模型

由上述分析可知，在弯道轴线半径、弯道底坡一定的条件下，弯道水面改善效果与斜槛的布置条数、槛高、透水率等因素有关。本文依据表1中不同参数透水斜槛得到75组弯道水面改善效果数据，利用回归分析方法，得到弯道水面均匀度、弯道水流均匀度提高率和弯道横断面最大水面差减少率预测模型如下：

(6)

(7)

(8)

式中：fw、fc、fd分别为弯道水面均匀度、弯道水流均匀度提高率和弯道横断面最大水面差减少率；N为弯道布置的斜槛条数；S为斜槛透水率；d为透水槛高；Δhz为弯道没有任何工程措施条件下的弯道横断面最大水面差。Δhz可按下式计算：

(9)

式中：b为泄槽宽度；v为断面平均流速；R为弯道轴线半径；g为重力加速度。

弯道横断面最大水面差可按下式估算：

Δhm=Δhz(1-fd)

(10)

工程设计时，在弯道水面估算目标确定后，透水斜槛的初步尺寸可按照式(6)～(8)估算。例如，某溢洪道泄槽弯道段在没有工程措施时，按式(9)估算的横断面最大水面差为2.5 m，由此在弯道内沿轴线均匀布置45°的透水斜槛以改善弯道水流条件。改善目标为：弯道水面均匀度为90%左右，水面均匀度提高率为30%左右，最大水面差降低率为60%左右。利用式(1)～(3)经试算可知，方案1：弯道布置6条斜槛、槛高0.8 m、透水率为30%时，弯道水面均匀度为91.2%，水面均匀度提高率为24.8%，最大水面差降低率为58.9%；方案2：弯道布置5条斜槛、槛高1.0 m、透水率为30%时，弯道水面均匀度为91.6%，水面均匀度提高率为26.9%，最大水面差降低率为60.9%。上述两个方案的改善结果与目标值比较接近，均可作为透水斜槛的初步方案，最终可通过模型试验或综合分析确定。

3 结 论

a.本试验弯道设置透水斜槛后，弯道水面均匀度平均为91.9%，提高率为29.5%，弯道横断面最大水面差减少率为63.9%。因此，弯道设置透水斜槛能够改善弯道水流条件，提高弯道水面均匀度，降低弯道横断面最大水面差。

b.斜槛的高度、透水率、条数等参数对弯道水面改善效果有影响，其中槛高和布置条数影响较大，而不同透水率之间的改善效果相差不大。①槛高：在相同流量情况下，高槛比低槛水面改善效果好。从弯道水面均匀度提高率看，相同槛高条件下，流量越小，水流改善效果越好；槛高对弯道横断面最大水面差有较大影响，相同流量条件下，槛高越大横断面最大水面差越小，水面差减少率越大。当斜槛数量达到一定数量时，中高槛在小流量条件下，弯道横断面最大水面差可能出现负值，即在最大水面差断面凸岸水面比凹岸高。②斜槛透水率：低槛条件下透水率对水面改善效果影响较大，透水率越低越好；而中高槛不同透水率之间水面的改善效果差别不大。③斜槛条数：增加透水斜槛条数能够改善弯道水面效果，尤其在中低槛、大流量条件下更为明显；一般情况下斜槛数量越多，弯道横断面最大水面差越小，水面差减少率越大，斜槛数量达到一定数量时，最大水面差断面凸岸水面高于凹岸。④弯道来流的Fr对弯道水面改善效果有影响，Fr越大水流改善效果越明显。

c.利用回归分析得到的考虑透水斜槛参数的弯道水面改善效果预测模型简单实用，可用于初步确定透水斜槛布置及参数，供工程设计参考。