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溢洪道闸墩后水翅的水力特性及消减措施研究

2021-05-30 22:47 已有人浏览
本文摘要:摘要为研究如何制止溢洪道泄洪历程中,闸墩后生成的水翅会给泄洪宁静带来诸多倒霉的影响。本文使用量纲分析和物理模型试验方法,对溢洪道闸墩后水翅的水力特性和消减措施开展研究。试验效果讲明,影响水翅长度和高度的主要因素有闸墩尾部出口处的弗劳德数Fr0、溢洪道坡度i、闸墩宽度等;在相同泄流条件下,若泄槽坡度变小,水翅长度也随之减小,而水翅高度却相应增加;当弗劳德数Fr0介于2.3与2.8之间时,闸墩后的水翅长度和高度均显著增大。

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摘要为研究如何制止溢洪道泄洪历程中,闸墩后生成的水翅会给泄洪宁静带来诸多倒霉的影响。本文使用量纲分析和物理模型试验方法,对溢洪道闸墩后水翅的水力特性和消减措施开展研究。试验效果讲明,影响水翅长度和高度的主要因素有闸墩尾部出口处的弗劳德数Fr0、溢洪道坡度i、闸墩宽度等;在相同泄流条件下,若泄槽坡度变小,水翅长度也随之减小,而水翅高度却相应增加;当弗劳德数Fr0介于2.3与2.8之间时,闸墩后的水翅长度和高度均显著增大。

试验还发现水翅的长度、高度与闸墩后泄流下跌角度α有关,当α增大时,水翅长度和高度也随之增大;当α较小时,水翅现象显着削弱或消失。研究效果为实际工程消除水翅现象提供了新思路,提出的复合式斜尾墩比传统四棱台型尾墩能更好地制止水翅发生,对改善溢洪道、泄洪洞闸墩后的水流流态具有参考价值。关键词水翅; 溢洪道; 闸墩; 复合式斜尾墩; 水力学模型试验;作者简介 薛宏程(1988—),男,讲师,博士,主要从事水工水力学方面的科研与教学事情。

E-mail:xuehongcheng@cqjtu.edu.cn; *马倩(1988—),女, 助理研究员,博士,主要从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail:maggie@cqjtu.edu.cn;基金国家重点研发计划(2016YFC0402004); 重庆交通大学高条理人才科研启动项目(19JDKJC-A008);引用薛宏程,马倩,任昱,等. 溢洪道闸墩后水翅的水力特性及消减措施研究[ J] . 水利水电技术,2020,51( 5) : 86-90. XUE Hongcheng,MA Qian,REN Yu,et al. Experimental study on hydraulic characteristics and reduction measure of rooster tails behind the pier of the spillway[ J]. Water Resources and Hydropower Engineering,2020,51( 5) : 86-90.0 引 言当水利工程泄洪流量较大时,常在泄洪修建物入口闸室加设闸墩,将进水口分开成数孔,以减小闸门尺寸防止其跨渡过大 ,可是闸墩两侧的下泄 水流在溢洪道内交汇时易生成类似鱼鳍状的水翅,水翅现象会给泄洪消能带来诸多倒霉的影响,如泄流稍有颠簸或闸门未对称开启时,都市导致水翅 在溢洪道内摆动、打击甚至翻越边墙,从而增加边墙高度和蒙受的动力荷载。水翅跌落伍还容易对溢洪道底板造成打击,引起溢洪道底板的压力 沿程颠簸。

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若水翅发生在泄洪洞中,激起的水流还可能会打击洞顶,其引起的颠簸还会造成洞内水流流态不稳,严重威胁到泄洪洞的宁静运行。鉴于泄洪时水翅现象会发生上述宁静隐患,研究人员通过模型试验和数值模拟方法对大坡度台阶式溢洪道 、窄缝消能工出口 、泄洪 洞侧掺气坎 、闸墩 后形成的水翅特征开展了相关研究。同时针对消减和控制闸墩后水翅的工程措施也开展了一些探索,段维钧 为了消除某工程中的高水头泄流底孔闸墩尾部发生的水翅,提出了一种淹没式斜尾墩,并对该尾墩的体型设计及消除水翅的原理举行了先容和探 讨。王治祥等 发现消除天生桥一级水电站溢流堰闸墩尾部的水翅可以接纳疏散相邻两孔水流交汇点和交汇能量的措施,即在原闸墩末了加设收 缩潜没式斜尾墩。

吴建华等 研究了三板溪水电站泄洪洞中墩后的水翅现象,并通过量纲分析方法得出了水翅长度、水翅高度与水流弗如德数、 对冲长度、水面下凹深度之间的关系,发现泄洪洞中墩后水面下凹是引起水翅的主要原因之一,并在随后研究中提出了一种新型的水垫型中墩 ,该 中墩改善了由于中墩尾部四周水面急剧下凹导致水流反弹而引起的水翅。王川等 以印度尼西亚Jatigede大坝溢洪道中墩后形成的水翅为研究对 象,在斜尾墩 的基础上,将其侧面直线段革新为流线型,消除水翅效果优于普通斜尾墩。

综上所述,以往有关水翅的研究多数是为了优化或解决某详细水利工程泄洪时存在的不良流态问题,其研究结果具有一定的局限性。对于溢洪道 闸墩后水翅的成因分析、水力特性及运动纪律相关的专题试验研究鲜有报道。本文接纳理论分析与水工模型试验相联合的方法探求水翅在溢洪道 闸墩后的成因,以及种种因素变化对水翅特征的影响,并提出了消减措施,研究效果对实际工程控制水翅的发生具有参考价值。1 量纲分析凭据视察溢洪道闸墩后的水翅现象,界说了相关参数如图1所示。

L 和H 划分是水翅的长度和水翅的高度,水翅长度是水翅起点到水翅落水点的 距离,反映了水翅在泄槽纵向的影响规模;水翅高度是水翅跃起的最高点到泄槽底板的距离,该值为设计溢洪道边墙的高度提供参考。此外,L 是两股 下泄水流碰撞前下跌的长度,起点是两股水流失去墩壁约束处,终点为两股水流发生碰撞处。H 是闸墩后两股水流失去墩壁约束后下跌的竖向高 度。

其余参数另有闸墩尾部出口处的断面平均流速v 和水深h ,溢洪道底板坡度i。图1 溢洪道闸墩后水翅及参数示意不思量水流的粘性和外貌张力时,其中影响水翅长度的主要因素有v 、h 、b、g、i五个物理参数。凭据量纲分析理论,可将水翅长度L 与上述 物理参数的函数关系表现为图2 物理模型部署示意(单元:m)基于π定理,选水深h 和重力加速度g为基本物理量,凭据量纲和谐原理,化简后可得公式(2)中 可以用闸墩尾部出口断面处的弗劳德数Fr 表现,同理可得水翅高度H 的表达式由于水流下跌深度。


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