基于多孔板消能的弯道陡槽溢洪道模型试验方案对比及其改进研究

蔡松年

基于多孔板消能的弯道陡槽溢洪道模型试验方案对比及其改进研究

蔡松年

（辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000）

溢洪道工程建设逐渐成为水利工程防洪、除险、加固设计和施工中的重中之重。但是随着水利坝体大空间、高体量的不断提高，弯道陡槽溢洪道已然成为水利工程节省工程空间和体量、提高防洪蓄水能力等方面的关键。文章通过采用模型试验方法对龙屯水库弯道陡槽溢洪道工程试验方案：原多孔板消能试验方案及其改进的多孔板消能试验方案进行了对比分析，从三个方面：水流流态特征、速度沿程分布和消能工消能率等深入展开消能研究，并根据试验结果对各试验方案的消能效果进行了验证，为类似弯曲陡槽溢洪道工程设计和施工提供技术支持和数据支撑。

多孔板消能；对比试验；模型试验；弯道陡槽

弯道陡槽溢洪道消能工程逐渐成为水利工程建设中的重点工程，随着水利工程建设的飞速发展，对消能技术方面的研究日益增多［1］。国内外在这方面的研究主要包括：杨丽萍，梁跃，徐伟［2-3］在软基低堰掺气窄缝戽流消能研究基础上，提出了孔板混合流消能工，该理念主要是通过对水流速度、流态和效能率进行计算，分析孔板的消能特性，降低河水对下游的冲刷和侵蚀；唐峥嵘，栗国忱，张绍春等［4］通过底流消能技术和方法，对消力池受地形限制等问题提出了合理的解决方案；暴伟越，赵韵［5］通过引用力学水力模型，对不同孔径比及其距径比条件下不同孔板消能作用及其机理进行研究，为该技术的工程应用提供了理论支撑；秦嘉楠，延耀兴，张进山［6］等针对于梯形转叶螺旋流消能装置的工作机理，研究了该结构的内部组成和构造、运行参数等，结合数值模拟计算方法对消能过程进行了计算和分析；赵振兴，何宁［7］基于试验数据进行了数值模拟，构建了流速、压力和紊动能等的分布规律，为消能技术深入研究奠定基础。此外，杨蒙， 顾 世 祥［8］， 汪 宏， 陈 大 明， 周 礼 军［9］， 郑 林平，李岳军［10］等也对孔板消能方面进行了深入的研究，并取得了较为丰硕的研究成果。

但是，随着多孔消能板技术的逐步应用，模型试验作为较准确的研究方法和手段固然能够对孔板消能进行深入的理论研究，但是就目前已经出现多种模型试验设计方案，且各试验方案之前差别较大，得到的试验数据和规律也相差较大。因此，通过对各模型试验方案进行对比分析，研究并确定多孔板消能作用下的水流特性至关重要，也逐渐成为溢洪道孔板消能的重要研究方向。

1 工程概况

葫芦岛市龙屯水库为六股河支流王宝河中游大（Ⅱ）型水库，位于葫芦岛市绥中县高甸子乡境内，距离绥中县城25km，水库库容1.15×108m3。大坝主体为粘土斜墙式砂壳坝，坝址所控制流域面积达到214km2，水库功能主要以防洪、灌溉为主。考虑到龙屯水库下游铁路、高速公路和八三管道、军用机场的重要性，确定水库永久性建筑物的洪水标准仍为100年一遇洪水设计、采用上限5000年一遇洪水作为水库的校核洪水标准。

龙屯水库在建设初期泄洪道泄槽及其下游地段建设不配套，局部出现安全隐患并尚未解决，一旦出现较大泄流极易引发山体滑坡、溢洪道阻塞，甚至是坝毁人亡等重大伤亡事故［11］。因此，通过对比分析多孔消能板陡槽溢洪道消能技术模型试验方案，对该技术作用下的水流特性进行深入研究，可以为龙屯水库溢洪道工程建设应用提供技术支持和理论支撑。

2 模型试验方案

2.1 模型比尺选择

考虑室内试验模型场地、环境、室温等因素作用，研究人员选择室内模型大比尺的正态模型进行模型试验，如表1所示。模型试验材料中，有机玻璃糙率，模型糙率nm=np/λn=0.0073，均满足模型试验相似比要求，见表2。

表1 模型试验比尺

表2 模型尺寸

试验过程中流量大小则采用薄壁堰进行控制，水流通过后流回地下水库。如图1所示。

图1 弯道陡槽溢洪道模型布置图

2.2 模型试验方案对比

为研究多孔消能板消能工的消能特性，模型试验中通过选择有多孔消能板的原设计方案和改进方案进行对比试验。试验过程中，每次放水后2h开始量测试验数据。

3 水流流态特征分析

3.1 原多孔消能板陡槽溢洪道水流特征分析

对于多孔消能板溢洪道试验方案，在一级多孔消能板挡水情况下，导致上游消力池内部水深增加，在消力池进口上游0+250断面处水跃后产生上移。在弯道陡槽作用下，池内的水流主方向仍然流向左岸，在尾坎阻挡作用下在左岸发生涌浪现象，此时水面高度明显高于右岸。在消力坎阻挡作用下，左岸主流经消力池回流到右岸，产生垂直方向上的漩滚。此时，在右岸边墙围挡作用下，水流由左向右沿消力池底板回流，产生垂直方向上的漩滚。

图2 原设计方案陡槽溢洪道水流流态图

通过图2可知，对于多孔消能板，在消能板挡水条件下，加大了消能板板前水深。当水流流经该板面时，通过板顶并产生涌浪现象，但原设计方案多孔消能板的孔面积比较大，通过孔的水量较多，板前未能形成反向漩滚，导致产生水跃。因此，多孔消能板没有起到预计应有的消能作用。在陡槽溢洪道上设置了多孔消能板之后，对上游弯道引起的水流折冲起到调整作用，使高速下泄的主流偏折幅度减轻，但仍有水流偏折现象。

表3 模型试验参数对比

图3 原设计方案陡槽溢洪道下游二级消力池流态图

通过图3原设计方案消力池水流流态可知：在多孔消能板阻挡和调整作用下，主流发生偏转时强度逐渐减弱，但是水流基本上呈对称状态流动。在溢洪道末端下泄水流，随着水流阻力的逐渐增大，水流能量部分消除，导致溢洪道末端水流流速减小，消力池内形成淹没水跃，池内竖向漩滚及纵向漩滚消失，水流流速及流量沿横向基本对称分布。消力池末端及其下游水面比无多孔消能板的陡槽溢洪道平稳得多［12］。

3.2 改进方案研究

（1）水流流态特征分析

图4～图6给出改进方案的水流流态特征。

图4 改进方案一级消力池的流态特征

图5 改进方案陡槽溢洪道的流态特征

图6 改进方案二级消力池流态特征

通过图4可知，在上调一级孔板后，使得水跃上移，上游水位壅高，消力池内部水面波动逐渐变小，弯道处一级消力池内水流更加平稳，弯道造成的水流偏折现象完全消失，水流间歇性窜升不存在了，消力池内也没有了竖向漩滚、纵向漩滚和横向漩滚［13］。

通过减小孔板间距，孔面积比减小，孔板之间产生较多的水面漩滚，水流的消能率增大，一级孔板前没有明显的水跃，一级孔板至五级孔板，跃前断面位于相邻两孔板间中部，五级孔板至七级孔板，跃前断面到下游孔板距离为2/3孔板间距。另外通过孔板作用主流的折冲转向的不良流态消失，进入二级消力池水流基本对称，二级消力池内形成充分的淹没水跃，跃后水面平稳，尾水无波动，水深变小。如图5和图6所示。

（2）速度沿程分布及其各级消能工消能率的计算

当经过弯道产生的偏转和折冲，在消流和整流作用下，水流逐渐消失，导致溢洪道各断面水流保持均速流动。与原设计方案多孔消能板陡槽溢洪道上各断面的流速值相比较，改进方案的速度值明显减小，尤其在铅丝石笼末端断面处，最大流速达到［14］。右岸附近速度值偏大，但左右两岸差值较小。该断面流速值能够满足工程要求，各断面水流能量采用式（1）计算，即：

式中，E—水流能量，m；z—槽底高程，槽底到基准面的垂直距离，m；h—水深，m；v—水流流速，m/s。

多孔消能板的消能率采用式（2）计算。

式中，E1—陡槽溢洪道进口断面单位重量液体所携带的总能量，m；E2—陡槽溢洪道出口断面单位重量液体所携带的总能量，m。

表4 各级消能工的消能率

根据表4数据分析可知：经过改进方案的多孔消能板模型试验弯道陡槽溢洪道的总消能率最大到达60%以上，多孔消能板的消能率占总消能率的90%，这主要是因为多孔消能板的消能作用。在一级、二级消力池作用下容易导致淹没水跃的发生，并随着其淹没程度的逐渐增大，消能率逐渐较低。这与原设计方案相比，其消能率明显比原设计方案大。

此外，与原设计方案消能率相比较，虽然改进方案的消能率增加的不多，但由0+704断面流速分布状况来看，降低到工程所要求的流速范围，能满足流速要求，而原设计方案0+704断面流速不能满足工程要求。因此，改进方案的消能效果明显优于原设计方案，改进方案是可行的。

4 结语

水利工程建设中，弯道陡槽溢洪道已然成为水利工程节省工程空间和体量、提高防洪蓄水能力等方面的关键。本文依托于葫芦岛市龙屯水库溢洪道设计和施工工程，通过确定模型比尺和试验材料进行模型试验，对比分析了无孔板消能模型试验、多孔板消能模型试验及其改进的多孔板消能模型试验，并从溢洪道水流流态特征、速度沿程分布及其各级消能工消能率的计算等三大方面对多孔板消能进行了分析，验证了改进方案的消能效果，为溢洪道工程的防洪加固提供技术支撑。但是，值得注意的是，随着社会技术的进步和发展，在水利工程溢洪道智能化、自动化消能方面的研究和利用越来越高，仍需要在该方面进行更进一步的探索。

［1］陆忠民，吴彩娥.上海长江水源地大型水库规划建设关键技术［J］.水利规划与设计，2013（12）：1-6+12.

［2］杨丽萍，高广合，郎锡东，等.陡槽溢洪道上孔板消能特性的试验研究［J］.水电能源科学，2012（06）：104-107.

［3］暴伟越，赵韵.多级孔板消能系数研究［J］.中国水运（下半月），2015，15（09）：207-209.

［4］童广伟，刘康和.水利工程环境管理探析［J］.水利技术监督，2009（01）： 58-60.

［5］唐峥嵘，栗国忱，张绍春.孔板消能是缩短消力长度的有效途径［J］.云南水力发电，2003（02）：95-98.

［7］杨蒙，顾世祥.三维数值模拟在孔板消能输水隧洞设计中的应用［J］.中国农村水利水电，2012（12）：103-106+111.

［8］汪宏，陈大明，周礼军，等.双层开孔消浪板结构消能性能分析［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2009（06）：479-483.

［9］郑林平，李岳军.水工隧洞内消能工的研究及应用进展［J］.水力发电，2006（09）：81-83.

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［12］王江涛，张东升.小浪底孔板消能泄洪洞过流原型观测试验［J］.中国水利，2004（12）：22-25.

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TV61

A

1008-1305（2017）05-0080-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.026

2017-03-20

蔡松年（1968年—），男，工程师。