交错布置柱群前后水力特性探讨

习 晨，王志国，段海浪，杨会朋，关 琨

（1.河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056038； 2.河北工程大学 河北省智慧水利重点实验室，河北 邯郸 056038； 3.南水北调中线干线工程建设管理局 河北分局邯郸管理处，河北 邯郸 056006）

1 引 言

鉴于自然洪涝灾害频发，河道冲刷问题严重，为保护下游居民生活安全，可在河道内布置消能工以防止或减轻水流对下游建筑物的冲刷破坏。 目前已有许多学者采用物理模型试验对河道中的消能工布置进行研究，如：胡江等［1］通过水槽动床试验得出群桩绕流阻力损失系数随桩的纵向排数的增加而迅速变大、水流能量损耗大幅度增加的结论；孙德旭等［2］通过建立弯段溢洪试验模型得出弯段溢洪道中导流墩联合糙条消能工对水流有显著的导流效果、能够有效改善水面结构的结论；孙桂凯等［3］利用经验公式设计出的低坎分流墩消能工能够有效改善下游水流流态，对下游水流表面削波效果显著。 然而，在物理试验中研究者通常采用流动可视化方法直观地观察水流流态，对于多圆柱绕流，采用此方法只能观察水流表面流态，无法观察水面以下的水流流态以及垂线流速的变化情况。 本文提出一种新型辅助消能工即交错布置柱群，通过水槽试验分析试验区内沿程各断面流速分布与各断面沿水深流速分布，探讨柱群布置后试验区的水力特性变化情况，进而得出柱群的消能效果。

2 模型设计

模型试验水槽长12.0 m、宽0.5 m、高0.5 m，由稳水段、试验段及尾水段组成，槽底及侧壁采用有机玻璃制作，模型布置见图1。

图1 模型布置

采用直径2.0 cm、高11.0 cm 的白色尼龙棒制作柱群模型，将柱群固定在有机玻璃板上，采用二维及三维电磁流速仪测量各测速点的流速，柱群布置见图2，柱群布置分为交错、密集及稀疏3 种形式。 顺水流方向（图2 中箭头指向）沿程布置6 个断面（编号为cs1～cs6），各断面间距为8.0 cm；在各断面上布置9 条测速垂线（编号为1～9），距水槽左边壁9.0 cm处布置第1 条测速垂线，依次向右边壁每隔4.0 cm布置1 条测速垂线；自距渠底3.0 cm 处开始垂直向上每隔0.9 cm布置1 个测速点，直至距水面2.0 cm 处。

图2 柱群布置形式

选取11 个试验工况（见表1）对柱群的消能效果进行对比分析，试验前将准备好的柱群板固定在试验段，先调节来水流量Q，再利用水槽尾门调节水槽内初始控制水深h，最后进行断面流速测量。 首先对交错布置柱群前后的水力特性进行分析，再与密集、稀疏布置柱群进行对比，进一步验证交错布置柱群的消能效果。

表1 试验工况

3 交错布置柱群试验结果及分析

3.1 沿程各断面流速分布

为分析沿程各断面流速分布情况，以交错布置柱群为例，绘制不同来水流量和控制水深条件下断面流速等值线，见图3 ～图5，图中水平向右方向为顺水流方向。 可以看出，随着柱群顺水流方向沿程排数的增加，整体上水槽内流速沿程减小且减小范围呈扇形展开，流速沿横向分布趋于均匀，同时流速等值线沿程由密到疏即流速变化速率减小，并且单柱迎水区流速比背水区流速大。 其原因是柱群前来水流量较大，水流运动遇到柱群时突然受阻，水流在穿过柱群时需要进行反复连续的绕流，受柱群之间纵横方向的相互影响，进一步增强了柱群对水流的阻碍作用。 此外，同一来水流量下，随着控制水深增加，柱群背水区流速色带逐渐加深，流速逐渐减小，流速等值线逐渐稀疏，且柱群前后整体流速差逐渐增大。 同一控制水深下，随着来水流量增大，水槽内沿程各断面流速增大，柱群前后整体流速差逐渐减小，说明消能效果受来水流量和控制水深的影响。 在图3（c）中，Q＝10 L／s、h＝13 cm 时柱群前后流速等值线色差最大，说明流速变化最大，在较小来水流量及较大控制水深条件下交错布置柱群的消能效果最好。

图3 Q＝10 L／s 时断面流速等值线

图5 Q＝12 L／s 时断面流速等值线

以上分析结果证实了辅助消能工的加设可以使水流与之发生碰撞，不断出现旋滚现象，改变水流运动形态以及水流流速梯度，进而使消能效果显著［4］。

3.2 各断面沿水深流速分布

选取柱群前cs1 断面和柱群后cs6 断面为典型断面，分析交错布置柱群前后断面沿水深流速分布，见图6，可以看出，随着控制水深增加，断面沿水深流速整体减小，cs6 断面的流速始终比cs1 断面的流速小。 相较于控制水深为13 cm 的试验工况，控制水深为9 cm 和11 cm 时cs1 和cs6 断面的流速分布较为均匀；当控制水深为13 cm 时，测速点水深大于11 cm 时cs6 断面的流速逐渐增大并且大于cs1 断面的流速，原因是当控制水深超过柱群高度时，会在有、无柱子阻挡水流的交界面处出现局部流速迅速增大并逐渐趋于稳定的现象。 综上可得控制水深为13 cm 时，交错布置柱群前后各断面沿水深流速变化较明显，因此控制水深较大时柱群的消能效果较好。

图4 Q＝11 L／s 时断面流速等值线

图6 不同控制水深与来水流量下cs1 和cs6 断面沿水深流速分布

3.3 消能率分析

消能率是表示消能效果的物理量，公式为

式中：E1、E2分别为cs1 和cs6 断面的总能量。

各试验工况下水流进入柱群前到出柱群后的消能率计算结果见图7，可以看出，来水流量为10 L／s 和11 L／s 时，柱群的消能率随控制水深的增加而增大；来水流量为12 L／s 时，控制水深由11 cm 增加到13 cm时消能率降低。 与来水流量为11 L／s 的试验工况相比，来水流量为10 L／s 时柱群的整体消能率较大，因此并非来水流量越大，消能率就越大，消能率与来水流量和控制水深都有较大关系。 综上可得来水流量越小、控制水深越高，消能率越大。

图7 不同来水流量与控制水深下柱群的消能率变化情况

4 不同柱群布置形式的试验结果及分析

在交错布置柱群试验中，来水流量为10 L／s、控制水深为13 cm 时柱群的消能效果较好，因此选择3 号、10 号、11 号这3 种工况对不同柱群布置形式的柱群消能效果进行对比分析。

4.1 沿程各断面流速分布

相同来水流量与控制水深条件下不同柱群布置形式的沿程各断面流速分布见图8，可以看出，交错布置柱群中水槽内流速沿程递减最快，其原因是下游柱子两侧流速受到上游柱子的分流影响使流速沿程变化明显，且流速不断叠加使下游流速分布较为均匀。 因此，相同来水流量与控制水深条件下交错布置柱群的消能效果较好。

图8 不同柱群布置形式的断面流速等值线

4.2 各断面沿水深流速分布

来水流量为10 L／s、控制水深为13 cm 时不同柱群布置形式下柱群前cs1 断面和柱群后cs6 断面沿水深流速分布见图9，可以看出，cs1 断面的流速分布较为均匀，测速点水深大于11 cm 时cs6 断面的流速开始出现局部迅速增大现象且大于cs1 断面的流速。 通过比较不同柱群布置形式的各断面沿水深流速分布可知，交错布置形式下cs1 断面和cs6 断面的流速相差较大，其次是稀疏布置，最后是密集布置。

图9 不同柱群布置形式下cs1 与cs6 断面沿水深流速分布

4.3 消能率分析

计算来水流量为10 L／s、控制水深为13 cm 时不同柱群布置形式下柱群的消能率，可得交错布置、密集布置与稀疏布置形式下柱群的消能率分别为41.05%、27.53%、30.11%，表明相同控制变量下交错布置柱群的消能效果优于密集布置柱群和稀疏布置柱群，这一结果与上述柱群交错布置形式下流速沿程减小最为明显且柱群前后沿水深流速相差最大的结果相符合。

5 结 论

（1）交错布置柱群中水槽内流速整体沿程减小，单柱迎水区流速较背水区流速大，流速减小范围呈扇形展开，流速等值线随控制水深的增加由密到疏即流速变化速率减小。

（2）交错布置柱群前后各断面沿水深流速差随控制水深的增大而减小，柱群后cs6 断面沿水深流速比柱群前cs1 断面沿水深流速小。 交错布置柱群中较小来水流量及较大控制水深条件下柱群的消能效果最好，但当控制水深超过柱群高度时会出现局部流速迅速增大并逐渐趋于稳定的现象。

（3）相较于密集布置柱群和稀疏布置柱群，较大控制水深条件下交错布置柱群的沿程各断面流速和各断面沿水深流速变化较明显，其消能效果最好。