窄缝挑坎水翅轨迹及降雨特性研究

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(长江科学院 水力学研究所，武汉 430010)

窄缝挑坎水翅轨迹及降雨特性研究

黄国兵，杜兰，王才欢，聂艳华

(长江科学院 水力学研究所，武汉 430010)

2017,34(12):44-47

窄缝挑坎因边墙收缩形成的水翅击打岸坡，可能会对岸坡稳定构成威胁，而相关研究鲜见报道。为了揭示该消能工水翅运动规律及其形成的降雨强度在下游临岸侧的分布特性，通过建立系列物理模型，开展了窄缝挑坎收缩比和挑角与水翅特性间关系研究。结果表明:随着收缩比减小，水翅被抛射得越高，次生水翅引起的降雨分布区域位置上移、范围增大；随着挑角减小，水翅顺水流向运动轨迹变化不大，但横向扩散加剧导致降雨横向分布范围增大。在此基础上提出了次生水翅横向扩散系数的概念，可用于预测不同挑坎体型下次生水翅引起下游降雨范围的形状特征。该成果可丰富窄缝挑坎研究内容，扩大研究范围，并为其体型设计提供更全面的理论依据。

窄缝挑坎; 水翅; 降雨强度; 收缩比; 挑角

1 研究背景

随着西部水电大开发，窄缝挑坎消能工以其特有的消能机理成功解决了“大流量、高水头、窄河谷”的水利枢纽泄洪消能难题。虽然科研工作者对该消能工做了大量深入系统研究使其尽可能发挥最大作用，但随着工程不断得以实践，运行中逐渐突显出一些在前期研究中所未能发现的新问题，并极可能威胁着工程运行安全，其中部分岸边泄水建筑物因采用窄缝挑坎所产生的水翅击打岸坡、可能会造成岸坡失稳的问题较为突出。

对于水翅问题的研究，一些学者也进行过探讨。纪伟等[1]采用模型试验研究了泄洪洞中墩的水翅现象，研究发现，水翅在纵向和竖向的影响范围与中墩长度密切相关，基本呈反相关关系；王川等[2]、杨刚等[3]、沈鑫等[4]，也均以具体工程为例，针对溢洪道中墩水翅问题进行相关研究，通过优化中墩体型从而达到消减水翅目的；韩玙等[5]以大坡度台阶式溢洪道中的水翅作为研究对象，发现水翅存在的流量变化范围与溢洪道底坡坡比呈反相关关系，而与台阶尺寸呈正相关关系；水翅的高度与坡比呈正相关关系，而与台阶尺寸呈反相关关系。

综上可见，对水翅问题的研究基本都基于溢洪道和泄洪洞中墩及台阶式溢洪道中的水翅现象，而对窄缝挑坎因边墙收缩引起特有的水翅问题相关研究鲜见报道，亟需深入探讨、有效解决。本文通过建立物理模型，改变窄缝挑坎体型参数，定量测得水翅运动轨迹的特征参数及其所形成的降雨强度在下游分布范围，从而分析窄缝挑坎体型参数与水翅间定量关系，为窄缝挑坎体型设计提供理论参考。

2 试验装置及方案

2.1 试验装置

试验系统包括水泵、高水箱、末端带有窄缝挑坎的陡坡泄槽、尾水渠及回水系统等。

首先，通过资料收集与分析，结合现有试验场地，由渠道恒定渐变流水面曲线计算法，计算不同底坡和泄槽几何尺寸下，挑坎前断面水流弗氏数；同时由挑流消能的水力计算，判定体型消能优劣。综上初步水力学计算，在消能率均较优前提下，采取1 m长有压段后接2 m长坡度为1∶3、底宽为0.2 m的明渠泄槽，泄槽末端连接窄缝挑坎。挑坎体型参数为：水平长度L=0.43 m、收缩比β=b/B=0.20,0.25,0.30(b,B分别为窄缝挑坎出口宽度、起始宽度)、挑角θ=-10°,-5°,0°(负号代表俯角)。泄槽来流量恒定为Q=0.1 m3/s，通过有压段出口处弧形闸门来控制挑坎起始断面水流弗劳德数Fr为一定值。

经过试验验证，该模型在起始断面水流弗劳德数Fr=5.3时，能够形成较稳定的窄缝流态，因此，试验工况均基于起始断面Fr=5.3的水力条件进行，下游河道水深为定值。窄缝挑坎体型参数及试验条件见表1,模型布置见图1。

表1 窄缝挑坎体型及水力参数

图1 模型布置

2.2 试验方案

本试验重点研究不同挑坎体型下(包括β,θ)，窄缝水翅运动及其形成的降雨强度在下游分布特性。其中β值变化是通过改变挑坎b值来实现的。表2列出了不同试验工况对应的2个变量参数值及试验条件。

表2 不同试验工况对应的体型参数

对窄缝水翅运动特性的探讨可通过对水翅运动最高点及落水点位置进行分析，试验需测量参数包括水翅运动最高点距下游水平面垂直高度H及距挑坎出口水平距离L1、水翅落水点距挑坎出口水平距离L2，均可用卷尺和钢直尺直接测量；水翅扩散引起的降雨强度在下游主体水舌两侧区域分布情况，由多个自制雨量器实测，单个雨量器为尺寸0.2 m×0.2 m×0.08 m(长×宽×高)的长方体，其承雨口为刀口形。图2为窄缝挑坎水流流态示意图，图2中E1=1.6 m为挑坎底板至下游河道水平面距离、E2=1.4 m为测量降雨强度分布的高程平面。

图2 窄缝挑坎水流流态示意图

3 试验结果及分析

3.1 窄缝挑坎水翅

试验观察发现，水流进入挑坎后由于边墙收缩，使靠近两边墙水深急剧升高，并向中线汇聚，中线水深则明显小于两边墙水深。窄缝挑坎的水翅现象便是由于挑坎内靠近边墙的两股急流冲击波在中线交汇碰撞后，部分水体提前挑射并脱离主体水舌向下游及周围裂散而成。水翅裂散后，一部分跌落与主体水舌混掺，另一部分则向周围抛洒，形成非天然超强降雨，若泄水建筑物临岸布置，则这部分超强降雨水体将对岸坡造成有力冲击，对其稳定性构成威胁，将此部分裂散水体定义为次生水翅，也是本文重点研究对象。

3.2 水翅运动特征参数分析

水翅运动最高点及落水点坐标值是反映水翅运动的重要参数，将各参数无量纲化后列入表3中，并分别绘制不同θ下，L1/E1,H/E1和L2/E1随β变化关系曲线如图3所示。

表3 各工况下水翅运动特征参数

图3 L1/E1,H/E1,L2/E1随β变化关系曲线

由表3及图3可见，θ一定时，随着β减小，L1/E1和L2/E1均呈减小趋势，而H/E1则呈增大趋势。即边墙收缩程度越剧烈，挑坎内急流冲击波越迅速汇集碰撞，并以较大出射角挑射出去，脱离主体水舌的水翅部分被快速抛射至最高点，但随后迅速跌落，使落水点在水平方向上越靠近挑坎出口；当β一定时，随着θ减小，L1/E1,H/E1和L2/E1均略呈增大趋势。即相同收缩比下，水翅运动最高点随着挑角减小略有增大，且落水点在水平方向上也越远离挑坎出口。比较而言，挑坎体型参数β对水翅运动轨迹的影响较θ更为显著。

3.3 降雨强度分析

窄缝挑坎因边墙收缩产生的次生水翅对工程不利影响主要体现在可能会对下游边坡造成冲刷破坏。为了定量分析不同窄缝挑坎体型下次生水翅引起的降雨影响范围，同时考虑到靠近主体水舌区域测量的降雨强度数据精度略差，故在此重点分析稍远离主体水舌的500 mm/h和1 500 mm/h降雨强度等值线包裹范围。

以挑坎中心线出口点为坐标原点，顺水流方向作为x轴正向、逆时针垂直水流方向为y轴正向，建立关于降雨强度等值线分布坐标系。图4为降雨强度等值线分布。

图4 降雨强度等值线分布

图4中x1,x2分别表示降雨强度等值线起点坐标和终点坐标;Δx1,Δx2分别为1 500 mm/h和500 mm/h降雨强度等值线沿纵向分布范围；Δy1,Δy2分别为1 500 mm/h和500 mm/h降雨强度等值线沿横向分布范围。定义η=Δyi/Δxi为次生水翅横向扩散系数，可作为表征次生水翅相对横向扩散程度的参数，则分别将500 mm/h和1 500 mm/h降雨强度等值线下各参数值列入表4中。

表4 不同降雨强度等值线下参数值

由表4中数据可见:

(1)θ一定时，随着β减小，500 mm/h和1 500 mm/h 等值线的x1值均呈减小趋势、Δy值则基本呈增大趋势。表明挑坎边墙收缩程度越剧烈，下游区域由次生水翅引起的降雨范围越靠近挑坎出口，且次生水翅横向扩散范围增大。

(2)β一定时，随着θ减小，x1值也略呈增大趋势；在θ=-5°,0°时Δy值变化不大，而在θ=-10°时Δy值有所减小。表明次生水翅引起的降雨范围会随着挑角减小稍远离挑坎出口，而其横向扩散范围仅在θ=-10°时有所减小，θ=-5°,0°时无明显变化。

比较而言，体型参数β对次生水翅引起的下游区域降雨范围较θ更为显著。这一规律与3.2节中水翅运动特征参数与窄缝挑坎体型参数间变化规律一致。

图5 等值线范围内η随β变化曲线

分析上述可知，窄缝挑坎体型设计时，在满足消能防冲前提下，可考虑采取边墙收缩程度较小、挑角较大的体型减小次生水翅产生的超天然降雨对两岸边坡冲刷的影响范围。

次生水翅横向扩散系数η反映了下游一侧区域某一降雨强度等值线沿横向与纵向包裹范围比值。若将降雨强度等值线包裹范围形状称为半椭圆形，则该系数为椭圆形的横轴/(2×纵轴)。图5绘制了

500 mm/h及1 500 mm/h等值线下η随β变化关系曲线。

结合表4及图5可见，θ一定时，随着β增大，η值先增大再减小。即降雨强度等值线形状由长扁状的半椭圆形逐渐向半圆形发展，随着收缩比进一步增大，该形状再回归成长扁状半椭圆形。其中β=0.25时，η值最大，且在θ=-5°,0°时η>0.50，表明该收缩比下水翅相对横向扩散程度最剧烈。当收缩比β一定时，随着挑坎挑角θ减小，η值呈增大趋势，即降雨强度等值线形状由半椭圆形逐渐向半圆形发展，表明挑角越小，水翅相对横向扩散程度越剧烈。

4 结 论

通过对窄缝挑坎水翅特性进行系列试验研究，得到主要结论如下：

(1) 挑坎内两股急流冲击波交汇碰撞后，部分提前挑射并脱离主体水舌向下游及周围裂散的水体。水翅裂散后部分向周围抛洒的水体将形成非天然超强降雨，将此部分裂散水体定义为次生水翅。

(2) 随着边墙收缩程度加剧，水翅被抛射得越高且落水点会更靠近挑坎出口；水翅运动最高点及落水点均随着挑角减小略有增大。

(3) 边墙收缩程度越剧烈，由次生水翅引起的降雨范围越靠近挑坎出口，且次生水翅横向扩散范围增大；次生水翅引起的降雨范围会随着挑角减小稍远离挑坎出口，而其横向扩散程度受挑角影响不显著。

(4) 次生水翅横向扩散系数η可反映下游一侧降雨强度等值线包裹范围形状。并且得知，随着挑角减小，降雨分布范围形状由半椭圆形逐渐向半圆形发展；随着收缩比减小，降雨分布范围形状由长扁状半椭圆形向半圆形发展，后再回归至长扁状半椭圆形。

(5) 比较而言，体型参数β对次生水翅运动扩散及其引起的下游区域降雨影响范围较θ更为显著。窄缝挑坎体型设计时，在满足消能防冲前提下，可考虑采取边墙收缩程度较小、挑角稍大的体型可起到减小次生水翅产生的超强降雨对两岸边坡影响范围。

[1] 纪 伟,吴建华,阮仕平.泄洪洞中墩水翅现象的试验研究[J].河海大学学报(自然科学版),2007,35(1):18-21.

[2] 王 川,戴光清,杨 庆,等.溢洪道中墩水翅的消减研究[J].水电能源科学, 2010,28(3):77-80.

[3] 杨 刚,张 林,冷慧琳,等.重庆青溪河水电站中墩尾部消减水翅结构形式研究[J].水利规划与设计,2015,(4):52-53.

[4] 沈 鑫.水电站溢洪道中墩尾部水翅消减方案试验研究[J].水利与工程建筑学报,2015,13(4):201-204.

[5] 韩 玙,冯瑞林,田嘉宁,等.大坡度台阶式溢洪道中的水翅现象[J].水力发电学报,2006,25(1):114-118.

Water-wing Trajectory and Characteristics of Rainfall in Slit-type Bucket

HUANG Guo-bing, DU Lan, WANG Cai-huan, NIE Yan-hua

(Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Rare research has been reported on the water-wing in slit-type bucket caused by contracted sidewall which poses a threat on bank slope stability. In this article, a physical model is setup to investigate into the relation between the type of bucket (contraction ratioβand bucket angleθ) and the characteristic of water-wing for revealing the motion law of water-wing in slit-type bucket and the distribution characteristic of rainfall intensity formed by the water-wing near downstream. Results show that along with the decreasing of contraction ratio, the water-wing is ejected higher, and at the same time, the scope of rainfall is larger and its location is closer to the outlet; whereas along with the decreasing of bucket angle, the water-wing trajectory doesn’t change obviously, but the lateral diffusion aggravates, resulting in the increase of rainfall range. On this basis, a concept of secondary water-wing lateral diffusion coefficient is proposed to predict the shape and scope of rainfall caused by secondary water-wing in different slit-type buckets. The research results could enrich the research contents of slit-type bucket, expand research range, and provide more theory foundation for design.

slit-type bucket; water-wing; rainfall intensity; contraction ratio; bucket angle

2016-08-24;

2016-09-27

国家重点研发计划项目(2016YFC0401904)；国家自然科学基金项目(51279013,51379020)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(CKSF2013023/SL,CKSF2014047/SL)

黄国兵(1963-)，男，湖北天门人，教授级高级工程师，硕士,主要从事水力学及河流动力学研究，(电话)13607108252(电子信箱)huanggb@mail.crsri.cn。

杜 兰(1985-)，女，湖北襄阳人，工程师，硕士，主要从事水工水力学研究,(电话)15872353580(电子信箱)kuailelanlan@163.com。

10.11988/ckyyb.20160864

TV131.65

A

1001-5485(2017)12-0044-04

(编辑：王 慰)