不同流量下水工建筑物排水结构消能研究

吴斯优

(揭阳空港经济区水利水电工程技术管理服务中心，广东 揭阳 522000)

消能是在泄水建筑物和落差建筑物中，防止或减轻水流对水工建筑物及其下游河渠等的冲刷破坏而修建的工程设施，其目的是为了消耗、分散水流的能量[1-2]。目前，排水管道水流消能的计算方法、水流消能结构的选择、水流湍流的消除等问题是水利工程重点研究的几个关键问题。在修建水利工程时，必须要动态计算排水设施内水流临界参数的相对大小、水流能量消能结构的位置[3-4]。同时，还要适当选择泄水设施水流消能设计方案，确定水流对构筑物的动水应力，开展新的排水构筑物试验研究，并进行科学计算。

目前，国内外学者对此展开了部分研究。杨堂坤[5]针对大斗水库V形横向谷特点, 对溢洪道整体布置和结构体形的设计方案展开详细计算和论证分析，结果表明，在大坝右侧垭口处布置岸边不设闸开敞式溢洪道的方案合理,各工况下消能和防冲刷效果良好。沈明等[6]通过水工模型试验,对泄洪兼导流洞在不同水位下单孔、双孔开启的泄流能力进行了验证,并对消能防冲结构设计进行了分析，试验表明,出口双孔弧门结构可满足泄流能力要求,消能防冲建筑物在消能效果和水流流态上都达到令人满意的效果。王超逸[7]以泽雅水库增设泄水隧洞工程为例,通过水工模型试验,根据水力相似原理,着重研究水库蓄水位101.97、97.97、59.97 m工况下两种出口消能结构(挑流消能、底流消能)水流流态对下游河床的冲刷情况，验证消能结构设计参数的合理性, 并对比两种消能形式的效果；陈平川[8]从消能形式选择、消能工结构尺寸拟定、消能参数计算及水工模型试验等方面,对颂东水电站泄洪消能进行了设计分析。杨长春[9]等结合调洪计算成果得出泄洪洞与溢洪道按近3∶7比例联合泄洪,均采用连续鼻坎挑流消能,泄流能力满足要求,各工况下消能和防冲刷效果良好。

本文针对水工建筑物的消能结构进行优化设计，研究不同水流条件下的水力参数和流动状态动力学规律，同时短通道中水流的运动动力学、场中的消能动力学以及连接处的过剩动能面积，研究成果可为相关水利工程提供参考。

1 消能设计方法分析

在现有水利和水电设施的运行中，尽管给排水设施的设计相对简单，但物理建模阶段尺度大，因此结构的可靠性高。当建造一个实验装置时，小尺寸能够降低试验成本。但水流有一个自由表面，重力和摩擦力在其中起着重要作用，其收缩增加了表面张力和摩擦力对水流运动的影响。为了克服这个影响，实验要求比例系数为50～60，水管中的流量系数值小于5%，水流量大于6.5 mm，并且水流表面的平滑度要求较高。在上述规定的条件下进行实验，以便在排水设施的水流性能研究中获得准确的结果。此外，在水力性能研究的物理建模中，应当满足几何相似性条件、初始和边界条件、与形成水流所涉及的力以及相对应的动力学和运动学定律。

根据研究人员大量的实验和理论研究得到的结构连接处外部水跃过程，建议在河床未受到冲刷的基岩处修建排水设施，以外部水力跳跃的形式连接到地表，同时也发现了大坝的缺点。其中一个主要缺点是水跃现象由几种类型组成，结构下部的水流在很小的范围内改变深度，所有类型的外部水跃都发生在该范围内。当海湾以外部水力跳跃的形式连接时，水位波动远高于连接到盆地底部时的水位波动，导致水电站的能源生产效率降低，下部海湾的海岸冲刷强度增加。此外，排水系统下游安装的水动力消能器效率低，以外部连接的形式实施外部连接液压跳跃会降低操作模式，不会产生预期结果。

2 消能结构设计与实验参数

图1 水工结构物

在研究开始时，研究了流量变化规律和不同消耗值下运动模式的变化范围。本研究的一个特点是在研究过程中，确保水跃现象的产生不是通过水流通道连接形成的，而是通过结构的实际操作条件形成的。在此种情况下，研究对象主要由弗劳德数、水动力学参数、计算消能的动力学、水工建筑物相对大小决定。本文的水流速度是垂直测量的，同时水流监控视频与水文测量相结合测量，每个闸门顶部的水密度采用相同的颜色，以便详细观察水流运动的变化。此外，试验中的水力参数包括耗水量Q，相对耗水系数K0(无量纲，耗水量与总流量之比)和平均流速v等，具体见表1。图2为实验装置图。

表1 试验参数

图2 实验装置图

3 试验结果分析

图3为消耗量Q=3.90 L/s时的水流运动。由图3可知，安装在下游排水结构末端的结构物产生的水流呈现出单一过境流的形式，占据河道宽度的一半，此外在河岸一侧还观察到水循环的形成。水循环影响了水流的运动，导致其在加固区域内扩散，水循环反向速度的最大值与过境流速的值相当。逆流的最大流速比过境流的最大流速小50%～55%。图4为消耗量Q=6.90 L/s时的水流运动。由图4可知，注水井中出现气泡状水跃，边缘处的中壁被掩埋，河流的传播是对称的，在导流墙两侧形成强大的水循环。这些漩流开始挤压两侧的过境流，最大流速为水循环最大流速的86%。此外，对水流垂直速度分析表明，结构的下部冲击力在盆地重新形成垂直速度图，并在外部连接模式下呈现出湍流形式。

图3 消耗量Q=3.90 L/s时的水流运动

图4 消耗量Q=6.90 L/s时的水流运动

图5为消耗量Q=10.07 L/s时的水流运动。由图5可知，在实验方案Ⅰ中，水流以与水冲击壁平滑接触的方式运行；在实验方案Ⅱ中，水流直接越过结构物。在这种情况下，主流沿着截面的墙壁移动，而在中心移动的水流不断改变其方向，形成的小型水循环被推向封闭段，而大型水循环被推向排水结构外端，并与该区域的主流汇合。图6为消耗量Q=11.6 L/s时的水流运动。在这两种方案中，均形成了水循环核，并观察到流动传播。右岸水循环规模小于左岸水，被推至加固区；右岸的水循环较大，压缩和变形了过境流，并观察到相对于河流轴线向左移动。水循环和运输流量之间的差异为70%，排水结构外端的流量降低至13%。水流开始从无障碍段和封闭段流入穿过结构物的过境流。此外，水流被压缩，导致流底部附近的平均速度增加。根据流量Q=13.87 L/s的混合方案结果(因篇幅原因未给出)，沿中间墙和河流5个部分的区域观察到过境流。在右岸挡土墙区域观察到较小的几何尺寸水循环，在左岸加固区域形成较大的水循环。

图5 消耗量Q=10.07 L/s时的水流运动

图6 消耗量Q=11.6 L/s时的水流运动

此外还观察到，由于大的水循环对过境流的影响，其动力轴是弯曲的。在第一个变量中，沿着河底流动的平均流速比表面流速高62%；在第二个变量中，平均流速比表面流速高73%。

4 结 论

本文针对水工建筑物的消能结构进行了优化设计，研究了不同水流条件下的水力参数和流动状态动力学规律，研究了短通道中水流的运动动力学、场中的消能动力学以及连接处的过剩动能面积。研究成果表明，不同的流量下，水流的动力变化规律有明显差别。当消耗量Q=3.90 L/s时，逆流的最大流速比过境流的最大流速小50%～55%；当消耗量Q=6.90 L/s时，注水井中出现气泡状水跃，边缘处的中壁被掩埋，河流的传播是对称的，在导流墙两侧形成了强大的水循环；当消耗量Q=10.07 L/s时，主流沿着截面的墙壁移动，而在中心移动的水流不断改变其方向，形成的小型水循环被推向封闭段；而当消耗量Q=13.87 L/s的混合方案结果(因篇幅原因未给出)，沿中间墙和河流5个部分的区域观察到过境流。在右岸挡土墙区域观察到较小的几何尺寸水循环，在左岸加固区域形成较大的水循环。