孙德旭 牧振伟 李凡琦 贾萍阳

摘 要：为了研究弯段溢洪道中水流运动规律，建立了径宽比R/B为1.75的60°弯段溢洪道试验模型，通过改变导流墩联合糙条辅助消能工的布置参数，对实测数据进行分析，结果表明：导流墩联合糙条辅助消能工对水流有显著导流效果，可使水面横比降有效降低，使水面结构改善;长宽比L/B=0.187 5时水力条件优于L/B=0.125 0的，其最大消能率可达60%，水流动力轴线在弯道段，由凸岸向溢洪道中轴线靠近且出现不同幅度波动的趋势，在出口段，由凹岸一定程度向溢洪道中轴线迁移，大大缩短了纵向流速分布的调整距离。在弯道内合理地布置联合消能工既节省工程投资，又符合溢洪道水力特性要求。

关键词：弯段溢洪道;水面横比降;导流墩;糙条;水流动力轴线

中图分类号：TV651.1文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.022

引用格式：孙德旭Symbol`@@，牧振伟，李凡琦，等.弯段溢洪道导流墩联合糙条模型试验研究[J].人民黄河，2021，43（1）：115-119.

Study on Model Test of Diversion Pier Combined with Rough-Strip in the Bend Spillway

SUN Dexu， MU Zhenwei， LI Fanqi， JIA Pingyang

（College of Water Conservancy and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract：In order to study the characteristics of water flow movement in the spillway of curved section， this paper established a 60° bend spillway test model with a R/B of 1.75 and analyzed the measured data by changing the diversion pier combined with brown strip auxiliary energy dissipation of the layout parameters. The results show that the diversion pier combined with the Brown strip auxiliary energy dissipation works has significant diversion effect on water flow， can effectively reduce the horizontal gradient of water surface and effectively improve the water surface structure; when L/B=0.1875， the hydraulic condition is better than L/B=0.125， the maximum energy dissipation rate can reach to 60%， the flow of power axis in the bend section， from the convex shore to the spillway axis near and appear different amplitude fluctuation trend， in the outlet section， from the concave bank to a certain degree of the middle axis of the spillway migration， which greatly shortens the longitudinal velocity distribution of the adjustment distance. It can not only save the project cost， but also meet the hydraulic characteristics of the spillway and provide theoretical reference for the actual engineering design.

Key words： bend spillway; transverse slope of water surface; diversion pier; rough-strip; axis of flow

溢洪道作為水库主要泄水建筑物之一，常受地形、地质、施工条件等的限制，不得不布置成弯道形式[1-3]。当水流进入弯道后，受离心力作用产生弯道环流，会使弯道内产生水面超高、横向冲击波等问题[4]。

现有的弯道多采用斜底坎[5]、丁坝[6]、悬栅[7]、导流栅[8]等辅助消能工在设定距离内调整、控制水流流态。Kikkawa[9]提出了弯道二维水流模型，对标准矩形断面的单弯道进行了分析;魏祖涛等[10]通过模型试验研究指出，实际工程可通过加糙来稳定弯道及其下游水流流态;王田田等[11]在溢洪道泄槽弯道段设置导流墙开展试验研究表明，设置导流墙后弯道横断面凹凸岸水面差明显下降，但水面差仍然存在;滕晓敏等[12]在弯段溢洪道内设置透水斜槛，研究了其对水流的改善效果;傅灿等[13]针对某水库溢洪道，通过水工模型试验研究了在陡槽弯道段底部垂直布置四道斜槛的效果，进而解决了实际工程问题;孙娟等[14]、李锦艳等[15-16]对水库多弯段溢洪道内加设导流墩、糙条等辅助消能工进行了试验研究;李凡琦等[17]将数值模拟与物理模型相结合，对多弯段溢洪道内加设糙条后的水面结构及涡流演化进行了分析阐述。上述方法都可以用来减小水面横比降、降低水流冲击波，但有的工程泄槽宽深比较小、施工难度较大、工程量较大等，需要结合实际问题进行综合分析。本文借助物理模型试验方法，通过在溢洪道内布置不同联合形式的辅助消能工，分析溢洪道典型断面水面横比降变化趋势、表面水流结构变化、典型断面纵向流速分布规律与水流动力轴线，进而阐明宽浅弯段溢洪道导流墩联合糙条对水流水力特性的影响。

1 试验方法

1.1 试验模型

本模型试验在新疆农业大学水力学实验厅进行。模型边墙及底板均由亚克力有机玻璃板制作而成。弯道过水断面为矩形，底宽B=80 cm，边墙高H=16 cm，为避免来流对弯道水流的影响，模型上游进口段布置长度为60 cm的过渡直段，进口段后接中心角为60°的弯道段，弯道末端接长度为140 cm的出口直線段，使水流能够平顺下泄，模型沿程底坡系数i=0.025。整个模型试验装置系统包括稳流前池（池内设置调流板）、进口段、弯道段、下游调整段、量水堰、地下水库、水泵。

导流墩模型为矩形长方体，宽、高分别为1.5、3.0 cm。在弯道进口处布置3根长为20 cm及1根长为15 cm的导流墩，在弯段出口末端布置4根长为10 cm或15 cm两种方案的导流墩，所有导流墩间距均为16 cm。糙条为贯穿凹凸岸的“梯形”长方体，宽为3 cm，高度从凹岸2.4 cm高渐变到凸岸1.2 cm高。以弯道末端逆水流向上12°为起点布置第1根糙条，由此向上共布置3根糙条，严格控制糙条间距为15 cm，导流墩、糙条联合消能工断面形式如图1所示。

1.2 测量断面

试验测量断面包括垂直水流方向的横断面和顺水流方向的纵断面，横断面进口段编号为0～9，共10个断面，断面间距为6 cm;横断面弯道段编号为10～30，共31个断面，沿弯道段径向每隔3°布置一个断面;横断面出口段编号为31～50，共20个断面，断面间距为7 cm。纵断面从弯道凸岸（右岸）至凹岸（左岸）编号为0～10号，共11个断面，断面间距为8 cm。沿水平面方向共布置了561个测点。试验测量要素包括水深与流速。水深测量采用精度为0.01 mm的测针，由3次读数取平均值;流速测量采用毕托管，量测点位置在距底板床面1/3水深处，设其值为该断面垂向平均流速。水深、流速网格测量断面如图2所示。

1.3 试验方案

依据不同流量、不同弯道末端处导流墩长度设计试验方案。在3个不同下泄流量下导流墩在溢洪道内有两种形态，分别为完全淹没和部分淹没，而糙条则完全淹没。通过大量试验放水观察，导流墩设置较高会导致弯道水面结构紊乱严重，特别是布置导流墩的位置会出现水流飞溅的现象，因此本研究导流墩高度设为3 cm。在宽浅溢洪道弯道出口末端布置导流墩的角度及高度一定时，导流墩长度L对下游出口段的水面结构有较大影响，同时也会影响弯道内的水流流态，综合考虑，设置L分别为10、15 cm进行试验。具体试验工况见表1，各工况径宽比R/B均为1.75。

2 试验结果与分析

2.1 水面横比降变化

水流进入弯道后，受到惯性离心力、地球自转偏心力、水位急涨急落及风等影响因素的作用，导致河流或溢洪道横断面两端水位出现横向高差，从而形成水面横比降。而水面横比降是反映弯道水流特性的指标，理论上采用如下公式计算[18]：

J=Z凹-Z凸B （1）

式中：J为水面横比降;Z凹为溢洪道凹岸水位;Z凸为溢洪道凸岸水位;B为溢洪道底宽。

该溢洪道典型断面不同工况下水面横比降沿程变化趋势如图3所示。

从图3（a1）（a2）（a3）不难发现：流量越大，水面横比降越大。水流入弯后，不同流量的水面横比降均有逐渐增大的趋势，且在27#横断面位置（弯段4/5位置）达到峰值，随后减小，降至41#横断面时出现负值，在45#横断面出现最大负横比降。图3（b1）（b2）（b3）为L/B=0.125 0时导流墩联合糙条消能工布置情况下溢洪道内水面横比降变化情况，可见相比同流量下的水面横比降有效减小，不同流量情况下水面横比降变化呈蛇形曲线。图3（c1）（c2）（c3）为L/B=0.187 5时导流墩联合糙条消能工布置情况下溢洪道内水面横比降变化情况，同流量情况下，整个弯道段水面横比降曲线变化更平缓，且在水流出弯后30#～40#横断面即出口段的水面横比降变化幅度减小，与此同时出现水面负横比降的位置也有向下游发展的趋势。对9种工况水面横比降综合分析发现，溢洪道内布置导流墩糙条联合消能工后水面横比降得到有效改善。随着流量变大，水面横比降逐渐增大;弯段出口末端导流墩长度对出弯道及弯道段水流流态有一定影响，L/B=0.187 5的水力条件优于L/B=0.125 0的，此时溢洪道内整体水面横比降变化平缓。

2.2 水面结构形态

各工况水面结构见图4。分析发现，工况1最大水深发生位置处于弯道40#横断面前后，此位置水深明显壅高，最大水面差达12 cm，水流形态恶劣。图4（b）（c）分别为L/B=0.125 0时大流量与小流量的水面结构图，显然在弯道段凹凸两岸的水面差显著减小，整体水面波动较平缓。随着流量的减小，溢洪道弯道段水深相应降低，且在不同流量联合辅助消能工作用下，弯道内水流均有向上游迁移趋势，说明在导流墩及糙条作用下，水流受到“前导”“后消”共同作用，逼迫水流向弯道凸岸运动，而出弯后水流仍呈现凹凸水面差，碰撞两岸边墙后，继而形成冲击波。

图4（d）～（f）为L/B=0.187 5时不同流量的水面结构形态。增加弯段出口导流墩长度后，观察溢洪道弯道段及出口段水深变化得出，弯道段水面流态起伏变化幅度较平缓，且出口段水流形态得到了明显改善，两岸水面高差变小，水流冲击波及波浪幅度得到了很好的控制，整个溢洪道内水流平滑下泄。说明L/B=0.187 5导流墩联合糙条辅助消能工可以更好地调整水流流态。但需指出的是，任一联合消能工组合作用下，溢洪道弯道段水深降低效果不太明显，更多地表现在降低了水面横比降、水流冲击波及波浪幅度。

2.3 典型断面纵向流速分布规律与水流动力轴线

2.3.1 典型断面纵向流速分布

根据实测数据计算得到各工况典型断面沿程最大流速及消能率，见表2。对比分析可见，与不加辅助消能工工况相比，布置导流墩联合糙条消能工后，弯道段最大流速明显减小。随流量的增大，各断面最大流速有增大趋势，且沿程流速也逐渐增大。对比工况1、2、3，两组水力条件的消能效果在弯道段优于进口段与出口段的，最大消能率可达60%。说明在弯道段布置联合辅助消能工后水流动量重新调整，且弯道边界条件改变，改善了弯道流态与流速分布，大大缩短了纵向流速分布的调整距离[8]。另外需要指出的是：对比两组水力条件下的试验数据可知，弯道出口段导流墩长度增大可以更好地改善进口段、弯道段及出口段各水力要素。就本研究而言，L/B为0.187 5时弯道水力条件最佳。

2.3.2 水流动力轴线

水流动力轴线为各横断面最大纵向平均流速所在点连线的水平投影，又称为主流线。通过研究弯段溢洪道水流动力轴线变化的幅度，可以分析整个溢洪道的动量迁移和流速分布，即水流的稳定程度。图5（a）～（c）为各工况水流动力轴线沿程变化情况。对比发现，不同流量下任一不加辅助消能工的水流動力轴线在弯道段均呈现向凸岸偏移的趋势，这是水流受到弯道离心力作用造成的结果。而在加设导流墩联合糙条辅助消能工后，随流量的增大，L/B=0.125 0和L/B=0.187 5两种水力条件下6组试验工况水流动力轴线在弯道段均不同程度向溢洪道中轴线靠近且出现不同幅度的波动。而在出弯后又一定程度向溢洪道中轴线波动，且L/B=0.187 5水力条件下水流动力轴线较优。原因是水流进入弯道后，首先受到弯道入口段导流墩的制约，一部分水流被导向凸岸，在遇到凸岸边壁时形成一股纵轴涡流并与来流形成一定角度的对冲，之后在糙条作用下，底层水流又指向凸岸，从而形成复杂交错的三维混流，使得凸岸流速开始降低，水流动力轴线也将向凹岸方向迁移。同理，出弯后的水流动力轴线一定程度向溢洪道中轴线偏移。

3 结 论

通过对R/B为1.75的60°弯段溢洪道进行模型试验，从水面横比降、水面结构形态、沿程流速变化规律及水流动力轴线4个方面综合考虑分析，得出如下主要结论：

（1）通过在溢洪道内合理布置导流墩与糙条联合辅助消能工的研究发现，联合辅助消能工能够很好地制约弯道环流的产生、降低水面横比降、改善水面结构及调整水流动力轴线，并能够有效地避免下游调整段冲击波的形成。

（2）导流墩糙条联合消能工对水流有显著导流效果。不同工况下，随着流量变大，水面横比降增大;弯段出口末端导流墩长度对出弯道及弯道段水流流态有一定影响，L/B=0.187 5的水力条件优于L/B=0.125 0的，此时溢洪道内水面横比降变化平缓，整体水面结构平稳。

（3）就本研究而言，L/B为0.187 5时，消能率在弯道段优于进口段与出口段，最大消能率可达60%。说明在弯道段布置联合辅助消能工对水流动量有重新调整，且改变了弯道边界条件，改善了弯道水流流态与流速分布，能够更好地调整水流动力轴线趋于弯道中轴线，大大缩短纵向流速分布的调整距离。相比类似辅助消能工，糙条联合导流墩消能工布置在弯道内更加节约工程投资，且施工较方便。

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【责任编辑 张华岩】