坝库工程放水塔流态变化与泄流量规律研究

权 萌

（陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局，陕西 咸阳 712000）

1 概述

放水塔与竖井溢洪道相似，是一种取放水稳定、防淤堵性能好的小型泄水建筑物，同时具备结构简单、建造难度小、使用寿命长等优点，按照体型一般分为矩形和圆形塔式结构，进水方式有单面进水和多孔进水。由于坝库工程蓄水拦沙的作用易造成库内泥沙淤积，所以选择放水塔作为其泄水建筑物。放水塔取代早期的卧管，主要应用于我国黄土高原地区的淤泥库中，区别于应用在水库中的放水塔，对泄水量要求不高，采用多级式进水，在塔身不同高度处设置多个进水口。国外关于此类放水塔研究较少，目前我国坝库工程中已建成的淤地坝可达16万余座，但是国内研究对高坝大流量泄水建筑物较为重视，从而忽视了低水头小流量类型的水工特性研究，因此在放水塔建造设计和加固维护中，水工设计人员对放水塔的水流流态及各水力参数缺乏参考数据。本文针对国内使用最多的多级取水式放水塔设计试验模型，并对该模型进行流态变化分析和泄流量变化规律研究。

2 模型设计及量测

为保证模型试验结果能拟合实际流态和泄流量规律，要求模型边界条件与实际工程相似，整个试验系统包含供水系统、试验模型、量水堰和尾水池四部分，混凝土糙率为0.014，为便于观察，选用糙率约为0.008的有机玻璃制作水工单体模型。模型体型参数按照重力相似准则设计，该模型的各物理量比尺见表1。

表1 多级式放水塔模型各物理量比尺表

由于坝库工程中普遍使用多级放水塔，在模型的塔身上开设了5级进水口和一个出水口，开口形状俱为上下半径0.3 m的1/4圆弧与左右直线相连接组成，进水口按高度从上至下依次为上4孔、上3孔、上2孔、上1孔和底孔，尺寸为1.2 m×1.2 m，底孔与出水口的轴线在同一高度上，距塔底1.5 m，出水口尺寸为1.05 m×1.5 m。放水塔内径为3 m，塔后接无压城门洞型放水洞，坡比为1%，尺寸为1.5 m×1.8 m，其中直墙高1.05 m，洞顶通气孔直径为0.24 m。为研究塔内在不同角度处进水流态的变化，对进水口与出水口角度位置做0°、30°、60°、90°四种布置。模型基本体型见图1。

图1 模型体型示意图

试验中采用矩形水箱模仿库区环境，水箱内水用水泵与地下水库形成进行循环使用，在进口处设置闸门调节库水位，利用稳水栅控制水流，使其平稳流入放水塔。放水塔内流态的变化通过有机玻璃可直接观察，因试验时泄流量较小，在量水堰形态上选择直角三角形，对于消能井和放水洞内的水位采用直尺测量，水面线波动较大时控制误差在±5 mm以内。

3 流态变化

放水塔内流态变化不仅影响其泄流能力，还会出现强水流冲击，威胁放水塔的稳定性。试验在不同进水角度和高度下，观察放水塔的进水口、消能井和放水洞的流态变化，分析得出变化时的临界水力条件。

3.1 进水口流态变化

观察进水口处流态，见图2，分为堰流和闸孔出流，设水面到进水口底坎的高度为H，试验中进水口高度h，试验表明：当时为堰流，不影响泄流能力；当时为闸孔出流，随着水头增大塔内水位上升，直至淹没进水口底部，此时为淹没出流，放水塔泄流能力降低。

分别观察上部进水口和底部进水口的流态变化，发现上部进水口与出水口的夹角变化对进水口处流态影响不大，但随着的数值发生变化，水流状态不断发生变化。具体变化为（见图2）：当水头时，水流自由跌落至塔底消能井内；当水头处于时，水流冲击塔壁，冲击的位置随水头的升高上升，水流卷入空气冲击塔壁的力度随库水位的升高而加大，引起塔身剧烈震动；当时，水流冲击塔壁的位置稳定于进水口高度处，水流冲击塔壁后跌落中卷入大量气体，同时使下落水流和井内水垫掺气，水流跌落于消能井底后反弹，沿井壁回升与下落水流发生碰撞，此时塔壁周围有充气低速水流环绕，不会发生空蚀现象。本试验中R为放水塔半径。

图2 上部进水口流态示意图

在观察底部进水口处流态时，发现改变进、出水口轴线夹角，底孔进水口处水流流态存在明显差异，见表2。

表2 底孔进水时流态随进出水口夹角的变化规律

3.2 放水塔内流态变化

水流经上部进水口或底部进水口流入时，水头和进出水口轴线角度的变化对消能井水流产生影响，以上部进水口以上2孔为例，观测结果见图3~图4。

图3 塔内水位随角度的变化规律（上2孔）

图4 塔内水位随水头的变化规律（上2孔）

由图3可知，上部进水口处于同一水头，但进、出水口轴线夹角不同，塔内水位H"/R基本不变，角度变化对水位影响微小；由图4可知不同角度下水位都随着水头的升高上升，且变化曲线相似。

底部进水口因其高度与出水口位置一致，所以底部进水口与出水口夹角变化对消能井内流态影响较大，由图5可知同一水头下，水位随着底孔与出水口轴线夹角增大而上升，水面越平稳；不同夹角下水位随着水头升高的变化规律见图6，夹角越大，塔内水位上升速度越快，当夹角为0°时，此时进出口和出水口处于同一轴线，水头增加但塔内水位依然不变，水面波动随水头增大而增大。而夹角不为0°时，水流经过进水口后冲击塔壁，逆时针旋转落下，导致水流不能及时泄出，放水塔泄流能力降低，水位随之升高。

图5 塔内水位随角度的变化（底孔）

图6 塔内水位随水头的变化（底孔）

3.3 放水洞内流态变化

水流通过消能井充分消能后流入放水洞，观察水流进入放水洞内流态变化，在洞口为乳白色水汽混合物，流速较大，水面波动大但水深较浅，在水流动过程中，水中气体逐渐溢出，洞内水面趋于平缓，水深逐渐增加。试验发现当水流经过放水洞时，随着进水口与出水口轴线夹角和的变化，洞内流态变化会出现明满流交替或水流击打洞顶等情况，见表3。

表3 放水洞内流态变化情况

由表3可知，随着进水口与出水口轴线夹角增大，易出现明满流交替现象，为改善流态可采取增加洞内断面面积；水流经上部进水口进入与通过底孔进入相比较，得出随着水头的增大放水洞内水面剧烈波动，出现击打洞顶的情况，可适当设置进口处压坡的坡度缓解此流态。

4 泄流量变化规律

根据放水塔在工程中的应用要求，从两个方面研究泄流量的变化规律及影响因素。

1）分别观察在进水口与出水口轴线夹角为0°和90°时，水流从不同高度的进水口流入时对泄流量的影响，结果见图7。

由图7可知：夹角为0°时，各进水口泄流量随着水头的增加而减小，变化趋势基本一致；夹角为90°时，由于淹没出流的原因，在同一水头时底孔的泄流量明显小于上部进水口，各孔泄流量都随着水头的增大而有所减小。

图7 各孔泄流量随水头的变化关系

2）观察泄流量随水头的变化关系，得出进水口与出水口轴线角度变化对泄流量的影响，由于上部进水口的角度变化对塔内水位影响很小，选择以上2孔代表上部进水口，研究进水口角度对泄流量的影响。

由8图可知，上2孔的泄流量随水头的变化曲线在四种角度下，泄流量随着水头的增大而减小，基本可以拟合为一条曲线，夹角的变化基本不对泄流量产生影响；当水头一致时，底孔与出水口轴线的夹角越大，底孔的泄流量越小。

图8 泄流量随水头的的变化规律

5 流量系数的变化规律

由流态和泄流量变化的分析结果可得出流量系数的变化规律，根据试验数据整理出堰流流量系数m随底坎水头的变化曲线，见图9。

进水口与出水口轴线夹角为0°时，水流通过各进水口流入的流量系数与水头的变化趋势相似，拟合曲线表达式为：

m=0.4676（H/R）0.3847（h/H＞0.75）

进水口与出水口轴线夹角为90°时：上部进水口进水时流量系数m1、底孔进水时的流量系数m2随水头的变化曲线计算表达式为：

图9 堰流流量系数随水头的变化规律

对闸孔出流中自由出流的流量系数进行研究，闸孔出流流量系数在进水口与出水口轴线夹角为0°和90°时，随水头变化的曲线见图10、图11。

图10 孔流流量系数随水头的变化规律（0°）

图11 闸孔自由出流流量系数随水头变化规律（90°）

进水口与出水口轴线夹角为0°时，由图10中流量系数变化曲线可知，得出闸孔自由出流的流量系数表达式如下：

进水口与出水口轴线夹角为90°时，上部进水口进水时均为闸孔自由出流，其流量系数随水头变化曲线见图11，流量系数可近似表达为：

因淹没出流时对流量系数的影响因素过多，受试验条件限制不对淹没出流的情况进行研究。

6 结语

（1）通过对放水塔不同进水口处的流态分析，发现在试验水头范围内，进、出水口轴线的夹角对上部进水口的流态和塔水位影响很小，此时上部进水口均为自由出流，水面波动随着水头的增大而增大；但底部进水口在夹角为30°、60°、90°时，出现了淹没出流，且夹角越大塔水位上升越快。

（2）在水头为2.0≤H/R≤3.2时，经上部进水口射入的水流冲击塔壁，塔身振动，当H/R＞3.2时，冲击点固定，下泄的水流不会对放水塔形成空蚀现象。

（3）放水洞内出现流态较差临界条件为：底孔进水，进、出水口轴线夹角为0°，水头为3.2；上部进水口进水，进、出水口轴线夹角为90°，水头在4.2到5.5之间。可通过适当增加放水洞内断面面积，或进口处压坡设置坡度缓解此流态。

（4）进、出水口轴线夹角对上部进水口泄流量基本无影响，但对底部进水口泄流量影响较大，随着水头的增大，泄流量减小，且夹角越大减小的速度越快。

（5）在进水口为堰流时，其流量系数随水头的变化均为指数曲线，当进水口为闸孔自然出流时，可将曲线分为1.07≤H/R≤3.2和H/R＞3.2两段，开始流量系数μ随水头变化曲线呈指数图像，而在H/R＞3.2时，流量系数趋近于常数0.615。