高水头泄水建筑物侧墙突扩侧空腔水力特性研究

王海云，戴光清，杨 庆

（1.四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川 康定 626001；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065）

0 引言

随着大坝水头的增高，流速增大，高速水流问题越来越突出，明流泄洪洞反弧段后侧墙减蚀问题是目前掺气减蚀研究中一个新课题。文献[1～8]对弧形闸门后有压出流情况下，水流突扩突跌掺气水力特性进行了较多的研究。文献[9～13]结合工程实例通过大比尺模型试验研究，对龙抬头明流泄洪洞反弧段下游侧墙的掺气减蚀进行了研究，提出在反弧末端采用侧墙突缩和底部突跌的掺气方案；指出侧墙贴角出口宽度的变化对下游水流流态的影响十分明显；得出侧空腔长度不宜超过底空腔的设计原则。文献[14]采用模型试验和三维紊流数学模型的方法对底部跌坎和侧墙贴角组合掺气坎空腔长度的研究表明：侧墙掺气坎空腔长度不仅与侧墙掺气坎的体形尺寸有关，还与底部掺气坎的体形尺寸有很大关系。侧空腔的特性较底空腔复杂，其影响因素和成因也不同，本文在前期研究工作的基础上，对侧墙突扩和底部突跌联合掺气情况进行了试验研究，进一步探讨侧空腔的影响因素和规律。

1 模型试验研究

试验模型参照国内某已建大型龙抬头明流泄洪洞，模型几何比尺为1∶30，按重力相似准则设计。模型泄洪洞由进水口段、龙抬头段、直坡段组成。龙抬头反弧段半径为333.33 cm，直坡段坡度为7.9%，进口闸门以后为明流，泄洪洞洞身横断面为等宽城门洞形，典型断面尺寸为43.3 cm×45.0 cm（宽×高）。试验条件为：模型最大流量0.76 m3/s，相应的单宽流量为1.744 m3/（s·m）；反弧末端掺气坎前来流平均流速4～8 m/s，来流最大水深0.3 m。

试验对反弧末端设置底部突跌和侧墙突扩的方案进行研究，突扩出口为等宽形式，体形示意见图1。文献[9]指出反弧末端跌坎下游边墙突扩的侧空腔是由水流自由扩散至边墙形成的，其出坎水流未受到类似侧墙贴角的挤压作用，水流在前进过程中不会先向内部收缩，而是直接向两侧边墙扩散形成侧空腔。文献[15]对泄水建筑物侧墙突缩侧空腔水力特性进行研究，提出在不同的跌坎高度下，其底部空腔长度不同，水舌落水区域的压力分布也就不同，底板压力分布的变化也对出射水舌横向扩散能力有明显作用，进而影响侧空腔长度。由此可见，跌坎高度对侧空腔长度有明显影响，本文试验拟在跌坎高度一定条件下，重点研究侧墙突扩宽度、掺气坎后突扩水平长度以及底板落水区域的压力分布对侧空腔长度的影响，其中实测的空腔长度为目测水气交界线。

图1 侧墙突扩试验方案体形示意

1.1 突扩宽度对侧空腔特性的影响

首先研究在跌坎体形尺寸一定的条件下，突扩宽度尺寸变化对侧空腔特性的影响，3种试验方案侧空腔长度实测结果见表1。来流单宽流量为1.744 m3/（s·m）时，不同突扩宽度，实测底部落水区域的压力分布见图2，方案一和方案二掺气坎后实测侧墙压力分布见图3。从表1可知，当来流流量一定时，反弧段后侧墙近壁没有清水区，侧空腔长度随突扩宽度的增大而增加；当突扩宽度一定时，侧空腔长度随着来流量的增加而减小。从图2、3可以看出，不同突扩宽度下水舌落水区域压力分布基本没有变化，侧墙上的压力分布规律和峰值变化也较小，因此，说明其空腔长度主要与突扩宽度有关。

表1 侧墙突扩3种试验方案侧空腔长度实测结果

图2 不同突扩宽度时掺气坎后底板轴线压力分布

图3 掺气坎后实测侧墙压力分布（单位：kPa）

1.2 突扩水平长度对侧空腔特性的影响

表2为单宽流量为1.744 m3/（s·m）时，在不同突扩长度下的侧空腔长度。图4为实测底部落水区域的压力分布，图5为方案四和方案五掺气坎后实测侧墙压力分布。试验结果表明，不同突扩宽度下，底部和侧墙的压力分布规律和峰值变化相同；当突扩宽度和跌坎高度一定时，突扩长度对侧空腔长度的影响较小。其原因是在相同的来流条件下，水流经过掺气坎后，没有任何附加作用力，四面凌空自由扩散，在侧墙上的落水位置主要取决于水舌的横向扩散能力和底部的压力分布。

表2 不同的突扩长度下侧空腔长度

图4 不同突扩长度时掺气坎后底板轴线压力分布

图5 掺气坎后实测侧墙压力分布（单位：kPa）

1.3 来流量对侧空腔特性的影响

表3为不同单宽流量时，在突扩宽度、掺气坎后突扩水平长度和跌坎高度一定的条件下，实测底空腔和侧空腔长度值。结果表明，相对底空腔而言，侧空腔长度要偏小；随着来流流量的增大，侧空腔长度明显减小，底空腔也有一定减小，且侧空腔减小的百分比较底空腔大。究其原因为：当来流单宽流量增大，来流的流速增加，底板上的冲击压力增大，底空腔长度减小；受底板上冲击压力的增大，加上水流的佛氏数减小，出坎水舌横向扩散能力加大，导致了侧空腔长度的减小。

图6为不同来流单宽流量下，实测底部落水区域的压力分布，其中，工况A、B分别代表单宽流量为1.465、1.744 m3/（s·m）两种情况，图6表明，随着来流流量的增加底部轴线的压力也增加。图7为对应的侧墙压力分布，从图7可以看出，随着来流流量的增加，侧墙的压力值也呈增加趋势；由于侧墙压力值的增加引起了侧空腔长度的减小。

表3 不同单宽流量下的底空腔和侧空腔长度

因此，底板上的冲击压力对水舌的横向扩散能力有显著影响，冲击压力是影响侧空腔形成的内因。

图6 不同来流单宽流量时掺气坎后底板轴线压力分布

图7 掺气坎后实测侧墙压力分布（单位：kPa）

2 结语

射流空腔长度是衡量掺气坎水力特性的重要参数，其大小直接影响掺气坎下游的掺气效果，侧空腔长度是保证下游侧墙掺气效果的重要参数。当泄水建筑物采用侧墙突扩和底部突跌的联合掺气形式时，通过对突扩宽度、突扩长度和来流流量 （用来流佛氏数表示）进行试验得出，突扩宽度和来流佛氏数是侧空腔形成的影响因素，这是因为水流经过掺气坎后，在侧墙上的落水位置主要取决于水舌的横向扩散能力和底部的压力分布，底板上的冲击压力对水舌的横向扩散能力有显著影响，冲击压力是影响侧空腔形成的内因。

结合文献[14]的研究成果可以初步得出，对侧墙突扩掺气坎形式而言，影响侧空腔长度的主要因素有跌坎高度、突扩宽度和来流佛氏数。

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