弯曲溢洪道不对称水流特征及优化措施

王立松

（辽宁地方水电设计研究院，辽宁沈阳 110003）

0 前言

随着水利水电事业的发展，弯曲溢洪道是由于地形地貌及原河道走势等因素而出现的布置型式，但针对其型式的综合阐述还不多，该阐述的深度和广度还不能满足工程实践的要求，尤其是对溢洪道优化工程措施的改善下游消能效果的研究阐述尚属少见。为此本文对溢洪道陡槽弯道及消力池内水流的水力特性进行阐述，希望能为此类工程设计和研究工作提供参考。

1 不对称水流

不对称水流是指水深和流速较大的水流宽度只占全河道宽度一部分，包括一般的和特殊的两种不对称水流，一般的不对称水流是指主流方向不发生改变的不对称水流，而特殊的不对称水流是指主流方向发生改变的不对称水流，这种水流又称折冲水流。

1.1 产生原因

不对称水流产生的原因主要分以下几种：一种为闸门的不对称开启；一种为扩散段扩散角太大；再一种为溢洪道泄水陡坡弯道等。

折冲水流产生的内在原因，处于渠道断面突然扩大段的流速、流向和水位是动荡变化的。这是由于大尺度漩涡影响所致。这种漩涡周期性地生成于紧邻突然扩大段的下游。流速、流向和水位的动荡可以通过这种漩涡的尺度和传递来解释。在突扩边界下，主流两侧形成回流，回流和主流之间产生漩涡，主流的不稳定性正是由此影响所致。当这种影响较小时，水位和流速波动的现象存在，但不致于引起主流方向发生更大的偏折，但是，当这种影响较大时，产生了主流两侧回流区的不对称性，这为折冲水流的产生创造了条件。

1.2 折冲水流的形成过程

由于紊动粘性作用的结果，在扩大段之初，行进水流将周围一部分水体带走了。为了要保持水流的连续性，有水体流走的地方又不断地从周围补充新的水体，这样，围绕着回流区的中心就产生了附加流量的回转。由于主回流间漩涡的影响，再加上外界的微小干扰或来流中残存的扰动，主流将会出现局部性的波动，随同波动而来的是流速和压强的重新调整。在主流偏向的一侧，回流区长度小，汇流区域也比较小，主流边缘剪切速度梯度较大，带走较多的流体，而补充流量相对较小；在主流偏离的一侧，情况相反。结果，由于回流区大的一侧回流水深比回流区小的一侧回流水深大，这将使扰动加剧，扰动发展到一定程度之后，由于压强差（两侧回流水深不等而引起）与底部阻力综合作用，最后形成了折冲水流流态，见图1。

图1 折冲水流

回流区的大小随水深变化。越接近水流表面回流区长度越大，回流区在平面上并不完全是闭合的。在对称突扩渠道中，离起始断面愈远回流区宽度渐小，在侧墙与主回流分界线交点处，水流行至侧墙时，部分动能转化成位能，而在下一时刻，水流在局部压差的作用下离墙而去，过程不断反复。若把主回流分界线与明渠侧墙交点至突扩起始断面的距离，称为回流区长度，它将是一个不确定的量。

1.3 弯道水流流态

当水流由直段进入弯道后，由于离心力而使自由水面的平衡状态遭到破坏，水面形态沿程变化集中于弯道凹岸侧，水深沿纵向和横向都发生变化，凹岸水面高，凸岸水面低，整个水面为一扭曲面。凹岸处由于急流冲击波的影响，水面线沿程波动，凹岸呈固定的波峰和波谷，使弯道下游直槽段水流明显发生折冲现象。

1.4 下游消能影响

消力池入流不对称性决定了水跃形成滞后偏移，水流能量沿宽度不均匀分布，便引起斜坡水跃偏向一侧，消力池内形成大面积立轴旋涡并出现主流折冲，对池内水跃产生严重挤压，还使消力池中出现较大的水面波动。在陡坡扩散段入流条件差，导致产生分股流和小挑流，需要改善上游来流流态；下游消力池段未产生理想的水跃，池内流态复杂、混乱，这于入流的不对称性以及上游冲击波有直接关系；消力池的流速在三维方向分布不均，流速方向发生变化，对一侧冲刷严重，消能效率低，出消力池后流速依然超过不冲流速。

2 弯道水流的优化工程措施

溢洪道弯道设计主要问题在于使断面内的流量分布趋于均匀，消除或抑制冲击波。溢洪道弯道水流优化设计方法，大体分为两类：第一类是施加侧向力，即采用工程措施，向弯道水流施加作用力，使它与水流所受的离心力相平衡，消除干扰。第二类是干扰处理法，即在曲线的起点和终点，引入与原来的干扰大小相等但相位相反的反扰动，消除扰动的影响。具体工程措施有：渠底超高法、复曲线法、渠底横向扇形抬高法、斜底槛法和弯曲隔流墙法等。

2.1 渠底超高法

渠底超高法是在弯道的横剖面上，将外侧渠底抬高，造成一个横向底坡利用重力沿横向坡度产生的分力，与弯曲段水体的离心力相平衡，调整横剖面上的流量分布，使之均匀，改善流态，减少冲击波和保持弯道段水面的稳定性。陡槽弯道外侧相对内侧的槽底超高值ΔZ，可用一个离心力方程导出的公式表示：

式中：v——弯道起始段面的平均流速，m/s；

b——陡槽直段水面宽度，m；

g——重力加速度，m/s2；

rc——弯道中心线的曲率半径，m。

C取决于水流佛汝德数、陡槽断面及弯道几何形状系数，对于急流、矩形断面和弯道为简单圆弧的C值取为2.0。渠底超高法由于最大抬高是一个固定数值，因此，它只能适应一种流量和水深的要求，在曲率半径较小的急流弯道内，只采取渠底超高法的措施，还不能完全消除冲击波的干扰。

2.2 复曲线法

复曲线法是在主曲线的两端再各接一段曲率半径等于主曲线半径二倍的辅曲线，使水流进入主曲线之前在辅曲线内侧预先产生一个负扰动波，该波到达外侧边墙时刚好与主曲线在该处产生的正扰动波互相抵消，使主曲线段内的水面在全段保持一种平衡的流态，干扰波不再向下游传播。同理，在主曲线的下游端布置同样的辅曲线也可以产生干扰波来消除下游切线段内的扰动。辅曲线的最有效长度为扰动波图型的半个波长，即L=b/tanβ。其相应的辅曲线中心角为：

用复曲线的边壁产生反扰动，干扰消减弯道冲击波，它即可以适用于设计流量，也可以适用于其它流量，是一种公认的、较为理想的消减冲击波的方法。

式中：θ——辅曲线中心角，rad；

ri——辅曲线的半径，m；

β——波角，°。

应用复曲线法可以很好的消除干扰波。但是，试验表明弯道内的水面超高仍然存在。对于已建工程，不允许在弯道前后再加设复曲线段。

2.3 渠底横向扇形抬高法

横向扇形抬高法将其进一步改进为扇形抬高。此方法的主要特点是：通过槽底扇形抬高来平衡弯道急流的离心力作用，使水流沿程断面的水深逐渐得到调整，流速逐渐改变方向。这样可使水流在断面上的能量被扇形抬高部分位能不断调整平衡，达到各断面水深与流速分布均匀。

该方法能有效地消除或减轻弯道急流冲击波，同时适应流量范围较广。缺点是施工较麻烦。

2.4 斜底槛法

斜底槛法利用干扰处理法的原理来消减冲击波所造成的水流扰动。它的作用是使渠道底层的水流改变方向，再由动量交换的机械作用很快的平均传到整个横断面上去。整个水流旋转的平均角度可以用动量守恒的原理求出速度的最后侧向分量来计算，计算公式如下：

式中:θs——流向变角，即斜底槛下游水流方向与水流中心线的夹角，°；

d——斜底槛高，m；

h——水深，m；

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α——底槛对渠道中心线的夹角，°。

斜底槛的位置为：

式中：Lus——从斜底槛靠近主曲线的一端到弯道起点的距离，m；

hi——包括斜底槛引起的扰动在内的水深，m；

h0——正常水深，m；

Δhi=hi-h0；

2.5 弯曲隔流墙法

陡槽弯道中在给定的水深、流速和弯道曲率半径时，最大的水面超高与槽宽成正比。因此，可用同圆心的弯曲隔流墙将一个给定的弯曲渠道分成内、外两槽，则渠道内的水面超高将相应的减低。而且在隔流墙下游的渠道内的扰动也将很快地消失。此种方法弯道段设置隔流墙后，溢洪道泄流时，在弯道进口处隔流墙将槽内水流基本均匀地分成内、外两槽，两槽内水流互不影响，使弯道水流的环流作用减弱，泄槽凹、凸侧水流不均匀的现象较无隔流墙时减弱。

此外，斜导流掺气挑坎、局部抬高槽底法以及消波墩法，人工加糙法等方法也是控制急流冲击波改善弯道水流流态较好的方法。

综合以上各工程措施的优缺点，最终选定弯曲隔流墙法的工程较多。

3 采取弯曲隔流墙法

3.1 弯道水流形态

弯道采取弯曲隔流墙后，水流均匀分布，水流在内、外两槽内流动，凹凸岸两槽仍保持弯道水流的水流特性，凹岸水面高，凸岸水面低，凹岸槽内水面倾斜较凸岸槽明显，到弯道下游直槽段水面高差减小,进入消力池水流流速较为均匀，消力池内横向水面也基本持平，水流形成良好的水跃，消能效果较好。

3.2 消力池水流状态及效能效果

采取弯曲隔流墙法后，在陡坡扩散段入流条件得到改善，水流接近于对称入流。消力池段产生较为理想的淹没水跃，池内流态规律、有序的掺混紊动；消力池的流速在三维方向分布不均，主流速方向几乎与中轴线方向一致，在同一断面上流速在中轴线左右侧分布较为均匀。大大减小了对左右岸的冲刷，水流出消力池后流速低于不冲流速，对下游冲刷问题的解决非常有利。

4 结论

本文介绍了不对称水流的成因及形成过程，阐述陡槽弯道水流流态和消力池的不对称入流引起的不良流态及消能情况，给出了采取弯曲隔流墙法后陡槽弯道水流流态和消力池的对称入流的流态及消能效果明显好转，实际工程中应通过试验确定所选措施的效果。