防洪大坝下游地下消力池流场特征研究_孟德昭.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，孟德昭防洪大坝下游地下消力池流场特征研究水利科学与寒区工程，（）：防洪大坝下游地下消力池流场特征研究孟德昭（山东东泰建工集团有限公司，山东 临沂 ）摘要：为阐明地下消力池内部和下游的流场特征，探究床层地形变化并评估通过地下消力池的流量和沉积物的冲洗效率。为了实现这些目标，本研究监控了速度曲线、水位波动和流量可视化。结果表明，较高门槛可以稳定液压跳跃，改善地下消力池内的自清洁过程，并且积极地为鱼类和沉积物的通过提供了额外的影响。但增加地下消力池的长度会降低流动的稳定性。研究结果对明晰防洪大坝下游地下消力池流场特征，能量消散机制，保护下游河段免受不利的降解和侧堤侵蚀具有十分重要的意义。关键词：防洪大坝；水力跳跃；能量消散；流场特征中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：孟德昭（），男，山东临沂人，工程师，研究方向为水利工程施工管理。：。材料与方法 模型安装结合防洪大坝洪水事件前后概况的情景，在试验室进行模型设计与安装。用于进行试验的水槽是长的水平矩形水槽。该水槽的宽度和高度均为 。该水槽在水流方向的左侧具有透明的有机玻璃侧壁，有助于观察。主水库的底部出口面向地 下 消 力 池，而 入 口 是 从 主 水 库 内 部 的 处模仿的。这保证了流到地下消力池的直线流线。此外，在主蓄水池内部安装了两个带有棉片的穿孔板，以在排入底部出口入口之前获得层流。然后，通过底部出口排出的水流是均匀的超临界流，其厚度等于底部出口。使用离心泵将水从地下集水槽泵入到上游供水箱来支持循环水系统。上游供水箱位于水槽的上游，并配备了经过校准的 度“”型堰。水流最终流入地下消力池，并对地下消力池的不同配置和几何形状进行测定。试验测量和观察 水力跳跃特性所有试验的基本数据收集程序都是相同的。水力跳跃特性主要是通过观察记录的。使用电极水位计测量整个地下消力池的水深及其波动。使用电磁电流计，在不同的纵向和横向横截面中测量了 分量的速度。在每个点，以 垂直间隔测量速度。采样频率设置为 。试验条件图显示了构造的物理模型的示意性侧视图和平面图以及几何和水力参数。试验在不同的地下消力池几何形状下进行：消力池长度 、和 ，台阶深度、和 ，消力池宽度 。对于每个地下消力池的几何结构，已经系统地检查了具有不同高度（、和 ）的端梁的不同几何结构，以获得最佳情况。将门槛垂直放置在正向台阶上方，并垂直于水槽的纵轴。除了主水库底部出口的三种不同的弗劳德数超临界 流（即 （）、和 ）外，仅检查了泄水底孔的一个维度（底孔高 和底孔宽 ），因此，产生膨胀比 （）。图物理模型侧视图和平面图（示意图）结果和讨论 流动模式和跳跃稳定性的评估根据地下消力池的几何形状，已观察到种不同的跳跃类型：跳跃、跳跃、周期性水下跳跃和稳定水下跳跃。为了简洁起见，本文仅描述要点。对于从 的弗劳德数，跳跃的类型主要由门槛高度决定，较少依赖于弗劳德数。对于没有门槛的地下消力池，跳跃是地下消力池内的最可能流型。对于中等高度的门槛，跳跃和跳跃为主要流型。对于较高门槛的地下消力池，主要为稳定水下跳跃。对于给定的门槛高度和弗劳德数，地下消力池长度的增加会负向引起流动的周期性振荡。因此，长度短而深度深的地下消力池完美地稳定了流动。地下消力池通用流型图的设计地下消力池通用流型图见图。使用成功的试验数据，在图中提出了通用流动模式图。该图是基于物理模型描述的宽范围的水力和几何参数制成的。水平轴表示地下消力池的长宽比，垂直轴是门槛的归一化高度，代表“临界高度”，即水流状态从亚临界变为超临界的水位高度。此流动模式图中显示了所有种可能的液压跳跃类型。此流动模式图提供了地下消力池的有利、可接受和不可接受的几何形状的三个区域。有利图地下消力池通用流型区域为实线上方，代表稳定的淹没流。实线和虚线之间的区域称为可接受区域，在该区域中发生周期性的淹没流。虚线以下的区域是地下消力池不可接受区域，该区域流动模式大部分是周期性的，有时是不对称的，能量耗散不足。长度对地下消力池性能的影响图显示了标准化地下消力池长度对地下消力池中心线和流向的影响。是主蓄水池底部出口表面的流速，是门槛上游的最大平均速度。图说明了通过增加地下消力池长度而持续增强地下消力池的性能，特别是在较低的门槛高度的情况下。由于速度降低的斜率比没有门槛的情况要温和，因此，通过考虑水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷图地下消力池内的速度降幅与归一化长度更高的门槛，我们可以减少地下消力池长度。考虑到设计中的经济方面，归一化的地下消力池长宽比时可能是最佳长度。跌落数对地下消力池性能的影响本文研究了跌落数（）的影响。图表示，增加跌落数对地下消力池的性能没有明显影响。对于较高的门槛高度和淹没深度时，存在地下消力池的最佳长度值，其中获得的最大跌落数为。图显示了受跌落数影响的有利流型区的边界。当跌落数增加时，较低的地下消力池门槛可以提供良好的流动模式。尽管地下消力池深度进一步增加，但不允许进一步缩短门槛高度，因此，同时满足流速降幅和经济方面的最佳跌落数为。图地下消力池内的速度降幅与跌落数的关系 门槛高度和自由空间对地下消力池性能的影响为了确定门槛高度对地下消力池性能的影响，设计不同的测试（表）。为了研究不同地下消力池几何形状在降低流速方面的有效性，绘制了不同图不同跌落数下地下消力池有利和可接受区域的边界表测试试验的几何和水力参数试验台阶深度 端梁高度 端梁宽度 图不同的门槛高度沿法向距离的流速降幅门槛高度下的归一化速度降幅（图）。在没有门槛的 的试验中，法向流速一直保持很高。而对于门槛高度分别为 和 的 和 的情况，在地下消力池的末端观察到最低的流速降幅。此外，将门槛的高度从 增加到 不会增强地下消力池降低流速的性能。因此，较高的门槛比较低的门槛消耗更多的能量，但将门第期孟德昭防洪大坝下游地下消力池流场特征研究槛高度提高到最佳值以上不会提高性能。不同跌落数下地下消力池内的归一化速度降幅与归一化的门槛高度的关系表明，门槛高度的进一步增加并不总是显示出更好的速度降幅。图表示在不同自由空间下 高端梁距底部出口部分的沿归一化法向距离的归一化法向流速的降幅。考虑到门槛两侧的两个自由空间，地下消力池降低速度的性能略有降低，但是法向流速的大小没有太大变化。因此，除了促进鱼类和沉积物通过之外，自由空间对地下消力池性能没有重大影响。图不同的门槛宽度沿法向距离的流速降幅 地下消力池下游的流动条件图说明了地下消力池和节之间的归一化速度降幅减小。图中绘制的数据的总体趋势与较高的门槛在密闭空间内产生稳定的水下跳跃的趋势相反。中等高度的门槛可以保证地下消力池下游的流动条件更好。图的虚线框内为归一化的门槛高度的最佳范围。因此，在地下消力池内发生水下跳跃的情况下，最佳归一化的门槛高度为 。图和部分之间相对于门槛高度的归一化速度降幅图和部分之间相对于门槛高度的归一化速度降幅 存在可移动沉积物的情况下地下消力池性能的评估为了检查在存在可移动沉积物的情况下地下消力池几何形状的性能，设计不同测试，流量为；为 ；泄水孔高度为，宽度为 ；消 力 池 长 度 为 ，其 他 参 数如表。表泥沙存在的情况下端梁高度及其自由空间对 影响的试验设计试验台阶深度 端梁高度 端梁宽度 粒径 研究发现，在 直径的可移动沉积物存在下，地下消力池的冲洗效率很高，但很难获得平衡条件。此 外，在 门 槛 两 侧 都 有 两 个 自 由 空 间（和 ）的试验情况下，冲洗效率更高。清水条件和平衡状态活动床条件下的流向速度分布几乎相同（图）。这是因为由于沉积物冲洗的速率很高，平衡后地下消力池内的沉积物可以忽略不计。使用砾石进行了第二系列试验（）。研究发现，在门槛的两侧都有自由空间导致对称的床形，而在没有自由空间的情况下，处于平衡状水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷态的床形是不对称的。较高的门槛在冲洗效率方面提供了更好的性能。对于 的门槛高度，无论有无自由空间，几乎没有沉积物从地下消力池冲洗出来。图 清水条件和平衡状态活动床条件下的流向速度曲线结论（）与较低的门槛相比，较高的门槛可以有效降低地下消力池内的速度降幅，稳定液压跳跃，但由于在门槛上的自由落体流，较高的门槛会负面地加速下游流速。（）考虑门槛两侧自由空间与没有自由空间的门槛相比，显示出几乎相等的速度降低函数，并且积极地为 鱼类和沉 积 物的通 过 提 供 了 额 外 的影响。（）中等跌落可以积极改善速度降幅，而进一步增加深度 对速度降 幅 和建造 成 本 方 面 均 没 有好处。（）地下消力池的流动模式更多地取决于门槛高度，而不是上游液压条件的变化。此外，发现增加地下消力池的长度会降低流动的稳定性。（）较高的门槛和自由空间可以积极改善地下消力池内 的 自 清 洁 过 程，提 供 稳 定 的 对 称 流 动模式。（）得 到 了 地 下 消 力 池 的 最 佳 几 何 形 状：，。参考文献：尚晓三，王栋，曾献奎，等考虑洪水过程随机性的多维联合设计洪水风险分析南京大学学报（自然科学），（）：张凤英涉河建设项目防洪管理新形势探讨海河水利，（）：邓宾宾基于大坝安全评价的红邦水库防洪能力复核计算水利科学与寒区工程，（）：陈晶，华中，王鹏防洪堤心墙大坝工程运营稳定性影响研究水利技术监督，（）：胡阳，陈恩典谈新型防洪墙在城市河道防汛中的应用山东水利，（）：王玉阁防洪设计标准和大坝的防洪安全初探珠江水运，（）：徐莉平，葛旭峰，李琳某水电站表孔溢洪道消力池段结构优化的试验研究地下水，（）：第期孟德昭防洪大坝下游地下消力池流场特征研究