山区泄水建筑物斜向进水消力井直径优化研究

张必师，邱 勇，罗云红，李生蕴，段胜禹

(云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201)

1 概述

消力井作为一种新型内消能工，具有体型简单、消能率高、地形适应性强等优点。但由于消力井内水流紊动剧烈，底板受下泄水流冲击作用强烈，易导致底板结构破坏，在实际工程中的应用受到了制约。文献[1]通过对竖井溢洪道体型优化研究，分析了竖井体型变化对水流流态及各种水力参数的影响，提出了消力井的合理设计尺寸；文献[2]根据水工模型试验，重点分析了消能井直径变化对消能井内各水力参数的影响，给出了消能井的合理直径建议值；侍克斌[3]等人通过模型试验研究，得出消力井水力设计基本方法。但上述研究成果都是针对竖向进水口的消力井，无法直接应用于山区泄水建筑物泄槽斜向进水口消力井设计。

2 试验方案

消力井进口接底坡i=1∶1.5的泄槽(B=0.15m)，内直径0.58m，出口尾水渠和泄槽轴线呈正交布置，底板高程0.50m(与泄槽末端高程一致)，坡度i=0，宽度0.25m，如图1所示。

图1 消力井体型示意图(单位：mm)

3 试验成果分析

消力井底板中心布设测点0；在井径D=0.15m(1B)圆周上等角度布设8个测点(相距45°)，编号依次为1-1、1-2…1-7、1-8；井径D=0.30m(2B)圆周上同样方式布设8个测点：2-1、2-2…2-7、2-8；井径D=0.45m(3B)圆周上测点编号为3-1、3-2…3-7、3-8。底板一共布置25个测点，如图2所示。

图2 井底板压强测点

3.1 消力井水流结构分区

根据消力井内水流流态，沿射流轴线方向，将消力井内水流结构划分为：冲击区、上附壁射流区、下附壁射流区和底部潜流区，如图3所示。

图3 消力井水流结构分区

冲击区：入射水流进入消力井，在上部水体作用下，水股出现向下偏折，冲击到消力井边壁后，形成向四周扩散的附壁射流。

上附壁射流：射流冲击到消力井边壁，向上形成附壁射流，并在消力井表面形成明显的水突和表面旋滚。

下附壁射流：射流冲击到消力井边壁，大部分水体沿井壁向下形成附壁射流。

底部潜流：向下的附壁射流，遇到底板后，方向发生偏转，呈沿底板的潜流，在潜流和入射水股之间形成翻卷的下部旋滚。

3.2 底板动水压强分析

3.2.1 动水压强时均值

入射水流在井底板产生的动水总压强包括时均压强和脉动压强，时均压强可以更好地反映消力井底板整体平均受力情况。根据试验，得到射流方向底板压强时均值见表1。

表1 射流方向底板时均压强分布 单位：kPa

由表1可以看出：不管流量大小，底板时均压强值在消力井底板中心处均为最小，沿半径由内向外时均压强逐渐增大；近泄槽末端消力井中心上游侧的压强变化幅度小于靠射流冲击区消力井中心下游侧；受冲击区下附壁射流流速影响，在D=0.45m处测点底板压强出现明显上升；在潜流临底流速作用下，位于D=0.30、D=0.15m处的测点压强相对于测点3-1和测点2-1、1-1均有所下降。

垂直射流方向的底板时均压强值见表2。

表2 垂直射流方向底板时均压强分布 单位：kPa

垂直射流方向，消力井中心处时均压强最小，在D为0.15、0.30和0.45m处，底板压强虽略有上升，但幅度均不大。结合井内水流流态分析，射流在井壁冲击区立面上呈360°方向散开，左、右两侧的贴壁射流强度明显小于上附壁射流和下附壁射流，射流轴线左侧底板在上部水体重力作用下，水流相对平稳，测点1-7、测点2-7和测点3-7压强几无变化；而射流轴线右侧为尾水渠出口，井内水流上下分层明显：消力井表面水体呈急速股状向尾水渠出流，而下层水体相对平稳，底板压强分布没有明显变化。

3.2.2 动水压强不均匀系数

射流斜向射入消力井中，井内流态复杂，底板压强分布极为不均。为便于描述，结合消力井射流方向水流结构分区，以底板中心为原点，入射水流方向为0°方向(顺时针方向为正)，将消力井底板分为四个区：-45°～45°之间区域为Ⅰ区，45°～135°之间区域为Ⅱ区，135°～225°之间区域为Ⅲ区，225°～360°之间区域为Ⅳ区。

动水压强分布不均匀系数ε为井底板上的压强波动最大值与消力井底板上各测点时均压强的平均值之比，可表征底板动水压强分布的不均匀程度。

沿不同半径圆周，将各分区测点时均压强最大值和最小值之差除以分区测点时均压强平均值，得到不均匀系数ε～D关系曲线，如图4所示。

图4 底板压强不均匀系数分布图

由图4(a)、(d)可知，在D=0.15m处，不均匀系数均小于0.02；直径增加到D=0.30m，消力井下游侧靠冲击区底板ε下降，射流左侧底板ε稍有上升；直径D=0.45m时，下游侧ε出现骤然上升，射流左侧ε则相对平稳。由图4(b)、(c)可以看出，在D=0.15m处，不均匀系数在0.02～0.04之间；直径增加到D=0.30m，射流右侧和中心点上游侧ε均出现上升，但数值不大；直径D=0.45m时，射流右侧和中心点上游侧ε同时出现下降。结合对表1、表2井底板时均压强分布特性分析得出的结论(冲击区下附壁射流和近底板潜流对井底板时均压强分布影响较大)，可以认为消力井底板动水压强不均匀系数在D=0.30m处达到相对极大值。

3.3 底板脉动压强分析

3.3.1 脉动压强方差值

脉动压强剧烈变化所形成的巨大压强梯度容易诱发消力井底板破坏，其方差能很好地反映入射水流脉动变化对底板的影响。

消力井底板不同分区脉动压强方差值如图5所示。

图5 底板脉动压强方差分布图

从图5可知，在D=0.15m处，方差值在0.02～0.06之间变化；当直径增加到D=0.30m时，方差值上升，表明脉动强度增加；直径D=0.45m时，Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区方差值均有下降，仅在Ⅰ区稍有上升(方差值达0.10)。结合射流方向测点3-1、2-1和1-1压强时均值变化及水流结构分析，可以认为D=0.30m时，底板脉动压强最大。

3.3.2 脉动压强频谱特性

按照涡旋理论，固壁上的压强脉动是由于紊流内部存在着不同振幅、频率及尺度涡旋的随机运动所引起。压强脉动的频谱反映了能量在频域上的分布，同时亦表明引起压强脉动旋涡的构成。

消力井底板不同分区测点沿井径方向的功率谱分布如图6所示(Q=18L/s)。

图6 消力井底板脉动压强功率谱

消力井内水流紊动的底板破坏主要是高频、小振幅的小尺度旋涡引起。由图可知，不同分区沿半径方向的压强功率谱幅值变化不大：除了射流下游侧(Ⅰ区)测点3-1处幅值为9.135kPa2，在消力井底板其他区域(Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区)，脉动压强功率谱幅值都基本在7.850kPa2左右，半径的变化对功率谱幅值大小几无影响。在消力井内，无论哪一个分区，其底板脉动压强优势频率小于0.1Hz，属于低频脉动，即便考虑比尺放大，也不会引发底板的振动破坏。

4 结语

针对山区水库狭窄地形条件，通过水工模型试验，研究斜向进水消力井底板动水压强时均值及不均匀系数、脉动压强方差和频谱特性的变化规律。在一定泄洪功率条件下，消力井直径从0.15m(D=1B)增大到0.30m(D=2B)时，底板压强时均值、不均匀系数、脉动压强方差均有增大。井径进一步增加至0.45m时，除冲击区底板时均压强有所增加外，其他区域底板时均压强基本不变；消力井底板脉动压强不均匀系数、方差值均呈下降趋势。此外，消力井底板脉动压强功率谱优势频率主要集中0～0.1HZ低频区间，远小于实际水工建筑物的固有振动频率。

[1] 郭雷. 竖井溢洪道体型优化试验研究[D]. 西安理工大学, 2007.

[2] 张宗孝, 郭雷, 谭立新. 消能井内消能工直径优化试验[J]. 水利水电科技进展, 2008, 28(05): 54- 57.

[3] 侍克斌, 王滢, 陈祖森, 等. 圆形深筒式消力井的试验研究[J]. 中国农村水利水电, 2006(10): 82- 84.

[3] 王滢. 圆形深筒式消力井试验及消能机理研究[D]. 新疆农业大学, 2005.

[4] 衡海龙, 刘焕芳, 金瑾. 消力井消能效率及井底压强分布研究[J]. 人民长江, 2016, 47(07): 82- 85.

[5] 郭子中. 消力井消能特性初步研究与试验. 全国泄水建筑物下游消能防冲论文集. 北京: 中国水利水电出版社, 1998.

[6] 赵灿华. 竖井螺旋流水力学特性研究[D]. 中国水利水电科学研究院, 2001.

[7] 马法三. 井流消能及其应用研究成果综述[J]. 河海科技进展, 1994, 14(03): 1- 9.