低坎分流墩消能工削波机理及其体型设计

低坎分流墩消能工削波机理及其体型设计
孙桂凯;莫崇勋;刘方贵
【摘要】为了低坎分流墩消能工的推广应用,以低佛氏数(F_r)水流的表面波浪作为研究对象,在揭示低坎分流墩消能工的削波机理基础上,提出了该消能工的体型设计
方法,并将其应用在金鸡滩水利枢纽进行物理模拟验证.研究结果表明,利用经验公式设计出的低坎分流墩消能工,消除了低F_r水流水舌摆动的根源,改善了下游水流流态,下游水流表面波浪较小,削波效果显著.研究成果丰富了低坎分流墩消能工技术,为低坎分流墩消能工技术在实际工程中推广应用提供了理论依据.
【期刊名称】《广西大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2010(035)001
【总页数】5页(P162-165,170)
【关键词】低坎分流墩;低佛氏数水流;消能工;削波机理;体型设计
【作者】孙桂凯;莫崇勋;刘方贵
【作者单位】广西大学土木建筑工程学院,广西,南宁,530004;广西大学土木建筑工
程学院,广西,南宁,530004;广西大学土木建筑工程学院,广西,南宁,530004
【正文语种】中文
【中图分类】TV653.9
低Fr(佛氏数)水流跃后产生摆动水跃，跃后水舌上下摆动，由于水舌的流速大且沿程衰减较慢，故波浪传送的距离较远，影响下游岸坡稳定和船只通航。

对这种水流，
人们曾采用面流消能工或消能池［1-7］企图将其能量降低，但实践证明，面流消能工或消能池，虽可保护下游河床免遭冲刷，但不能改变水流跃后水舌的摆动特性，不能削减下游水面波浪。

如广西郁江上的西津水电站和吉林省的红石水电站就是典型的例子。

针对低Fr水流消能率低、波浪大的问题，文献［8-10］介绍了低坎分流墩消能工用于低Fr数水流的可行性，从低坎分流墩的水流流态、流速分布以及墩后水流的
紊动及波浪等方面分析论证了其良好的消能效果。

低Fr水流的核心问题是下游水面波浪问题，因此进一步分析低坎分流墩消能工削
波的水流机理，提出分流墩的体型设计方法，选择较优的分流墩方案，对低坎分流墩消能工在实际工程的推广应用有着重要的研究意义。

1 低坎分流墩消能工削波机理
低坎分流墩消能工下游水流表面波浪较小，且沿程衰减速度较快，其削波效果明显。

其原因是:
(1)低Fr水流来流泄水功率高而水跃消能率低，因此在进行消能工设计时将下泄水流分散，避免单宽水流集中，这是防止水流对下游河床产生严重冲刷，降低波浪的有效途径之一，而低坎分流墩消能工就是根据这一思想提出的。

低坎分流墩消能工布置在泄水建筑物趾部，包括尾坎和分流墩两部分(图1、图2)，尾坎的设置使下泄水舌挑起，避免水舌与坝趾河床接触，分流墩的设计将下泄水流分割成分散的多股水舌(图3)，同时分散的小股水舌在墩后又向两侧扩散，避免了
下泄水流单宽流量集中，大大减弱了水流对下游河床的冲刷力，因此下游的波浪就较低。

(2)水流运动过程中，流速梯度越大，水流的摩阻力越大，水体的紊动加剧，水质
点互相碰撞的机会增大，从而提高水跃的消能率。

因此，在低佛氏数水流消能设计中，设法增大水流的流速梯度是提高消能率、降低波浪的另一有效的途径。

而低坎分流墩消能工就是通过在墩前和墩后产生剧烈的旋滚(图4)，增加水流内部
的流速梯度，从而达到比较理想的消能效果。

具体过程描述如下:高速水流受到尾
坎和分流墩的共同作用后，在墩前产生的剧烈旋滚，在墩后产生横轴旋滚与竖轴旋滚，以及坎后的表面旋滚，使断面流速分布在空间急剧改组，存在较大流速梯度，产生许多大小、强度和旋转方向不同的旋涡，使流体质点发生强烈的随机混掺作用，紊动强度加剧，附加切应力增大，大大提高了水跃消能效果，减少了蕴藏在下游水体中的波动能量，因而下游水面波浪得到有效的削减。

图1 低坎分流墩平面图Fig.1 Plan map of diffluent piers with low ridge
图2 低坎分流墩剖面图Fig.2 Side elevation map of diffluent piers with low ridge
图3 低坎分流墩流态平面图Fig.3 Sketch plan map of flow state in diffluent piers with low ridge's
图4 低坎分流墩流态立面图Fig.4 Side elevation map of flow state in diffluent piers with low ridge
2 低坎分流墩消能工体型设计
低坎分流墩对解决低Fr的波浪具有明显的效果，但在研究过程中发现，这个效果
与体型参数设计有关，若体型设计不当，仍将达不到理想的削波效果，因此低坎分流墩体型设计结合其对波浪的影响来研究。

2.1 尾坎
尾坎太高，虽可避免水舌直接冲刷河床，但水流挑起的涌浪较大;尾坎太低，较大
流量的单宽水股直接冲向下游河床，达不到保护河床的作用。

因此根据面流消能工鼻坎的形式尺寸，尾坎的设计为:反坡角α =15°～25°，坎高 a=(0.3 ～0.4)P2·tgα，式中 P2为下游坝高。

2.2 分流墩
分流墩的墩头体形、收缩比(即收缩后的过流宽与收缩前的过流宽之比，其中B1、B2、B3分别为墩间过流宽，见图1)及分流墩高度t是影响分流墩分流墩削波效果的因素。

它们具体设计如下:
① 墩头形状:为了避免在墩头产生应力集中，将分流墩的头部设计为流线形，并取其收缩角α =40°。

② 分流墩收缩比和高度:收缩比β和墩高t是分流墩体型的两个重要参数，它们决
定了水流通过低坎分流墩时的缩窄程度，从而影响了此消能工是否能克服水舌的摆动，是否能提高水跃的消能效果，削减下游的波浪。

分流墩的收缩比太小，高度太大，墩间过流宽度小，墩体激起的涌浪较大，较大的涌浪下潜后对河床的危害就大，同时工程量大，墩体稳定性差;分流墩的收缩比太大，高度太低，墩间过流宽度大，分流效果不明显，水流的上下游漩滚变小，消能效果差，向下游传播的波能就大。

根据不同低Fr水流的来流条件，不同收缩比和不同墩高对下游平均波高的影响可
以拟合出设计分流墩的经验公式如下:
式中:t为墩高，β为收缩比，a为坎高，k为无量纲系数，Fr为消能工设计流量的
佛氏数。

上式的适用条件是:2.0≤Fr≤4.5，0.4≤β≤0.55，2.5≤t≤6。

2.3 设计步骤
低坎分流墩的体形设计主要包括低坎和分流墩两部分。

低坎主要由经验确定;而分
流墩则是根据来流条件，依据经验公式确定。

分流墩体型参数的计算步骤如下:
① 根据水文等资料选定设计分流墩参数的设计流量;
② 根据设计流量的Fr，通过式(1)求出分流墩的无量纲数k;
③ 根据求出的分流墩来流的k代入式(2)、(3)，可初步求出分流墩的墩高t和收缩比β;
④ 最后结合结构布置的要求，确定出最终方案的分流墩的收缩比β和分流墩的结
构尺寸。

3 低坎分流墩消能工在金鸡滩水利枢纽应用的波浪试验
3.1 工程概况
金鸡滩水利枢纽泄流量 Q=741～10 900 m3/s，单宽流量 q=12.6～97.3 m2/s，泄流水头H=9.5～0.16 m，佛氏数Fr=4.28～0.25，属低Fr水流泄水工程。

3.2 试验设计
试验中，分别采取了低坎分流墩(即每孔溢流坝内分别设置2个分流墩，坎高取
1.5 m，分流墩收缩比利用前面经验公式推出β=0.44，墩高t=3.5 m)和消力池两个消能工方案，在1∶47.5的断面模型和1∶100的正态整体水工模型中对下游水面波浪进行了测试。

流量级见表1。

表1 试验流量级表Tab.1 Flow magnitude of discharge capacityZ上/m88.6 87.0 87.0 86.0 Z下/m 79.1 80.3 81.6 82.9 Fr4.28 3.09 2.74 1.28
3.3 试验结果与分析
① 断面模型试验。

波浪对岸坡的影响是比较复杂的，因此在断面模型试验中，对
各种Fr水流的平均波高进行了分析，从而了解低坎分流墩消能工下游波浪的变化
规律。

在各种Fr情况下，低坎分流墩消能工在坎后50 m内，平均波高较大，距坎越近，波浪数值就越大，但随着流程的增加，波浪变小。

特别是在坎后50～150 m较短的距离内波浪衰减得较快，随后在距坎150 m后下游的波浪衰减变缓，其平均波
高基本上在一个较小的范围内波动。

如图5为Fr=4.28两个方案平均波高对比图。

由图5可以看出:消力池方案在下0+040断面处波浪不大，但在下0+090断面处
水流被尾坎挑起，激起较大的涌浪，而后主流下潜，在下0+140断面波浪较小，在下0+190断面又增大，而后才慢慢衰减;但当消能工采用分流墩方案时，由于分流墩对下泄水流的阻挡和约束作用，在下0+040断面激起较大的波浪，但随后沿
程波浪衰减较快，且在下0+090断面波浪稳定在一较小的范围内。

② 整体水工模型试验。

在整体水工模型试验中，分别从坝后水面、下游岸边及下游引航道口门区的水面波浪进行分析，从而了解该消能工的削波效果。

坝后水面波浪:在下0+050断面处消力池方案的平均波高=0.30～1.14 m，而低坎分流墩方案的平均波高较大，其值为0.85～0.99 m，但在下0+100～下0+300范围内低坎分流墩方案的平均波高各断面的平均波高均有所降低(低坎分流墩方案=0.15～0.49 m，消力池方案=0.25～0.51 m)。

图6为Fr=4.28两个方案平均波高对比图。

图5 Fr=4.28不同方案平均波高对比图(断面模型)Fig.5 Compare map of the average of wave's height in different plan(Fr=4.28，cross section model) 图6 Fr=4.28不同方案平均波高对比图(整体模型)Fig.6 Compare map of the average of wave's height in different plan(Fr=4.28，whole model)
下游右岸岸边波浪:与消力池相比，低坎分流墩方案的岸边波浪除个别断面的波浪有所增大外，大部分测点均有所降低，平均波高降幅的绝对值为0～0.04 m，其相对降幅为12% ～43%。

下游引航道口门区的水面波浪:与消力池方案相比，低坎分流墩方案的波高普遍降低，平均波高降幅绝对值△H=0.04～0.07 m，相对降幅为28% ～41%。

由此可见，低坎分流墩消能工下游的波浪较小，沿程衰减速度较快，表明该消能工有效地削减了的水面波浪，削波效果良好，对岸坡稳定和通航条件较为有利。

4 结语
本文在研究低坎分流墩消能工削波机理的基础上，提出该消能工的设计方法，并通过金鸡滩水利枢纽的断面和整体水工模型试验中对其波浪进行了研究。

研究结果表明，在低Fr水流中设置低坎分流墩消能工后，水流在低坎和分流墩的共同作用下高速水舌被分割，消除了低Fr水流水舌摆动的根源，墩间抛起的水流与墩顶下落
的水流剧烈碰撞，在墩后形成多轴旋滚，从而下游的水面波浪得到了有效的抑制，坎后的水面波浪在短距离内得到快速的衰减，削波效果明显。

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