跌坎型底流消能工的跌坎最小深度研究

摘要：跌坎型底流消能工消力池内的水力特性受到跌坎深度的影响。应用平面紊动射流理论，以消力池内允许的最大时均动水压强为控制目标，对于跌坎最小深度的确定方法进行了初步分析，建立了计算跌坎最小深度值的理论公式。通过水力学试验方法，得到消力池底板时均动水压强与跌坎最小深度之间的关系，同时与跌坎最小深度试验值进行了比对，对本文建立的理论公式进行了验证。

关键词：底流消能工；跌坎深度；紊动射流理论；时均动水压强；临底流速

中图分类号：TV653 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）03-0510-04

Abstract：The hydraulic characteristics of the falling-sill bottom-flow energy dissipation pool are affected by the falling-sill depth.In order to control the allowable maximum time-averaged dynamic water pressure in the dissipation pool，a method and its theoretic formula for determining the minimum falling-sill depth are preliminarily analyzed and derived using the plane turbulent jet theory.Based on the hydraulic model experiments，the relationship between the time-averaged dynamic water pressure on the bottom plate and the minimum falling-sill depth is obtained.The calculated falling-sill depth is compared with the measured value to verify the applicability of theoretic formula.

Key words：bottom-flow dissipation；falling-sill depth；turbulent jet theory；time-averaged dynamic water pressure；underflow speed

跌坎型底流消能工[1]是一种应用前景广阔的新型消能工，由于跌坎[2]的存在，入池水流形成淹没底流流态，通过与消力池内消能水体的强剪切紊动进行消能[3]，能够有效解决传统底流消能工自身具有的消力池临底流速和脉动压强大的问题[4]。

跌坎的存在对于消力池内的水力学指标具有重要影响，消力池消能效率的程度主要取决于跌坎深度[5]。随着跌坎深度的增加，入池主流到达消力池底板的射程增加，射流[6]与消能水体剪切面积也随之增大，使得动能通过强烈的紊动作用得以耗散，因此消力池底板冲击区底板时均动水压强随着跌坎深度的增加而减小[7]。本文以消力池冲击区最大时均动水压强为控制目标，对消力池的跌坎最小深度值进行试验研究，旨在探讨冲击区底板时均动水压强与跌坎最小深度之间的关系。

1 跌坎型底流消能工淹没底流流态

跌坎型底流消能工入池水流在消力池中产生淹没射流和淹没水跃的混合流态，这一混合流态在水力学上称之为淹没底流流态。入池水流与消能水体产生强烈的剪切作用，在主流下方形成了顺时针方向的底部漩涡。入池主流迅速潜底，冲击区后形成淹没水跃，产生强烈的逆时针方向上部漩涡。以入射主流方向为参照，可将消力池内流态分为：淹没射流区、冲击区、附壁射流区，见图1[8]。

淹没射流主流到达消力池底板并与底板相互作用的区域称为冲击区。在冲击区，淹没射流主流冲击消力池底板，由于受到底板的约束，主流方向被迫偏转，流线弯曲，淹没射流主流流速迅速降低，主流的动能一部分转化为消力池底板上的压能[9]，导致在冲击区消力池底板产生冲击压力[10]。冲击区是消力池内主要的消能区域，所受到的时均动水压强突增[11]，因此也是气蚀破坏与冲刷破坏最为严重的区域。

本文选取跌坎型底流消能工消力池冲击区底板所受到的最大时均动水压强为控制目标，着重分析了其与消力池跌坎最小深度之间的关系。

2 数值计算方法

3 试验验证

3.1 试验装置

为了观测消力池内的水流流态，分析消力池底板冲击区最大时均动水压强与跌坎深度和入池角度之间的关系，特进行水工模型试验。

水工试验模型全部采用有机玻璃制作而成，消力池底板上共布置时均动水压强测压点48个。消力池的尺寸为1.2 m×0.2 m（长×宽）；消力池的跌坎深度分别取0.06 m、0.08 m、0.10 m；水流入池角度分别取15°、30°、45°；消力池的入池流量分别取6.135×10-3 m3/s、8.027×10-3 m3/s、10.320×10-3 m3/s。

3.2 试验结果

跌坎型底流消能工消力池内最大的时均动水压强出现在冲击区，时均动水压强最大的点称为冲击滞点，时均动水压强分布规律为：由冲击滞点向上下游两侧迅速下降，且压力梯度很大[16]。因此，以冲击区最大时均动水压强作为控制目标推求跌坎最小深度值具有可行性。

本文采用水力学试验方法，通过改变入池能量、跌坎深度以及入池角度之间的关系，研究消力池冲击区底板所受到的最大时均动水压强与跌坎深度之间的关系，同时验证跌坎最小深度值理论计算公式的合理性。理论计算的跌坎最小深度值与实际跌坎深度值的对比见表1和图3。 由图3可知，在入池能量不变的工况下，最大时均动水压强随着入池角度的增大而增大。这是由于入池角度增大，紊动射流流线长度减小，冲击区长度随之减小，临底流速增大，使得底板时均动水压强增大。同时可看出，由最大时均动水压强作为控制目标求得的跌坎最小深度值与试验实测值具有良好的吻合性。

由图4可知，跌坎深度与入池能量之间没有关系，而只与入池角度有关，其结果与理论计算公式相一致。同时可看出，跌坎深度的理论计算值与试验实测值之间具有良好的吻合性。

综上所述，跌坎最小深度的理论计算值与试验实测值基本吻合。因此由最大时均动水压强作为控制目标推求出的跌坎最小深度值的理论计算公式具有一定的合理性与可行性。

4 结语

本文基于紊动射流理论，在前人研究成果的基础上，推导出以冲击区最大时均动水压强为控制目标，计算跌坎最小深度值的理论公式。试验验证结果表明该理论公式的计算值与实测值之间具有良好的吻合性，表明该理论计算公式具有一定的合理性，可为今后的实际工程提供参考。

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