窄缝挑坎形状对射流扩散和冲刷特性的影响

窄缝挑坎形状对射流扩散和冲刷特性的影响

狭窄裂缝悬浮液（或称为收缩法）的输出流是垂直的散射流。主要特点是射流在垂直方向上完全扩散、分散、混合和减弱，从而加强能量的消耗，促进射流在下游表面的单位面积的动能减小，并将射流形成从水中垂直传播的三维消能。由于散射速率的高，河床磨损深度约为河床磨损深度的30%。这种提升点特别注重小谷河的优点。这条河很滑，但不冲垮岸壁。这是在中国龙羊峡、东江、东风水库和福建南水库的项目中采用的。国内不少狭谷河道水电站,下游河床射流冲刷区岩性软弱,抗冲刷能力较差,两岸岸坡陡峻.为减小河床冲刷深度及稳定岸坡,保证建筑物安全运行,优化窄缝挑坎体型,使其扩散充分,减小冲深是工程设计常遇的课题.过去对挑坎为下倾挑角(负角度)的形式研究不多.由于挑坎倾角对射流扩散及对河床冲刷深度有较大的影响,因此是窄缝挑坎体型优化的主要方面.试验是在总结已有成果的基础上,研究了挑坎倾角与水力因素对射流扩散和河床冲刷特性的影响,并提出了射流上、下缘挑距计算式.二、孔口尺寸、冲压文献报道过坝身深孔出口采用收缩式挑坎,改变收缩比(B2/B1=0.333、0.500、0.583、0.666、0.833,式中B1、B2分别为收缩式挑坎始、末断面的宽度)及改变孔口宽高比(6:6.5及6:4.5)对射流扩散和冲刷特性影响的研究成果.试验的坝身孔口尺寸仍选用6cm×6.5cm(宽×高),收缩式挑坎的体型(见图1)为始端宽度B1=6cm,边墙收缩率i以1:3直线收缩到出口宽度B2=3cm,收缩比为B2/B1=0.5,改变三种底部挑坎倾角θ=-3°,-7°及-10°对射流扩散和冲刷特性进行研究.试验中水头变化范围为以孔口进口底高程算起的水头(H)与孔高(D)之比H/D=3-12.下游河床水深(t1)及挑坎末端高程至下游水面的高程差(p)的变化范围见表1.共进行60组试验.冲刷料均采用粒径d=1—6mm,d50=2.2mm的小白石.三、射流流态深对高坝深孔出口采用的收缩式挑坎,在体型方面,文献研究过收缩比及挑坎来流条件不同的孔口宽高比对射流扩散与冲刷特性的影响.认为:在射流流态始终保持完整纵向扩散射流情况下,扩散程度与下游河床冲刷深度,均随挑坎收缩比的减小而减小以及随H/D增加而减小的特征.如收缩比过小,形成完整的纵向扩散射流的临界水头(或临界流量)过高,即所能应用的水头范围受到限制.为了使可应用的水头范围较大及射流扩散较充分,冲刷较浅,以B2/B1=0.5左右较为理想.(一)射流纵向扩散长度的影响射流水舌外缘在下游水面入水处距鼻坎的水平距离为外缘挑距,以L3表示;射流内缘在下游水面的入水距离为内缘挑距,以L1表示;射流在下游水面的纵向扩散长度为L2=L3-L1(见图2).由此说明,利用增大挑坎倾角以增大射流纵向扩散长度L2,所增加的部分仅为内缘挑距缩短部分.(2)对任一挑坎倾角及任一H/D,当p减小,内、外缘挑距均相应减小.但内缘挑距随p减小的速率比外缘挑距随p减小的速率稍快,因而L2随P减小反而略有增加的趋势,有利于减轻对河床的冲刷.(二)挑坎倾角对减冲效果的影响由于挑坎倾角增大可使射流纵向扩散长度L3增加,河床冲刷深度亦相应减小.这种减冲效果只在河床水深t1=14、21cm及H/D=5.5—11时比较明显(见图4,图中t2为下游河床的冲刷深度).例如挑坎倾角θ从-3°增加到-7°时,在H/D=5.5-11的范围内,河床冲刷深度减小约5-18%,减冲效果较好;当H/D>11时,由于河床冲刷深度t2随上游水头升高迅速减小,挑坎倾角增加对减冲作用渐不明显;当H/D<5时,由于水流扩散不充分,倾角越大,水流更趋于集中,冲深反而随倾角加大而加深.由图4中t1=30cm,H/D与t2的关系说明,在河床水深达到一定程度后,挑坎倾角变化对河床冲刷深度影响减小.以挑坎倾角θ从-3°增至-7°为例,在H/D=5.5—11范围内,河床冲刷深度仅减小2.5—4%.(三)救助河口浅t图5为t1=14、21,30cm,H/D与S的关系(S为从挑坎末端至河床冲刷坑起坑点的水平距离,如图2所示).当河床水深很浅,t1=14cm时,挑坎倾角变化对S的影响较大;在t1增大到21cm后,除H/D大于9的情况仍有较大影响外,其余则随河床水深增大,影响减小.总之,窄缝挑坎倾角增大,可增大射流纵向扩散及减小河床冲刷;但有冲刷坑起坑点向坝体移近的缺陷.因此在选用挑坎倾角时,在确保坝体安全的前提下,综合比较选定.四、计算间隔内宽门的计算方法(一)水冠水体流量及能头对有倾角的窄缝挑坎,以图2所示0—0基准线,列孔口出口后的水流收缩断面1—1及窄缝收缩段出口2—2断面的能量方程及连续方程式中:ξ为断面势能修正系数;φ1为流速系数(包括1-1、2-2断面间的能量损失);Qs及hs分别为水冠的水体流量及能头,hs以αh2表示;其他符号见图2.由式(1)和(2)可得式中.若令,则式(3)为求解式(4)得式中φ1、Qs、(ζ+α)为待定值.文献的分析认为ζ+α=1/2;从试验可知,水冠水体流量Qs占总来流量Q的很小部分,即Qs/Q很小,可忽略;利用文献,东风水电站中孔窄缝挑坎B2/B1=0.5.边墙收缩率i=1:3的试验资料及用式(5)反推,求得φ1≈0.95.由此,窄缝挑坎在边墙收缩率i=1:3,B2/B1=0.5时,式(5)的表达式为:窄缝挑坎收缩段出口断面的水深和平均流速为(二)出射角m的测量窄缝挑坎挑流,例如B2/B1=0.5,底坎倾角-10°时,在收缩段出口的射流初始出射角:从沿出口中垂线的实测结果看,底缘约为-10°,上缘近于40°.这说明从射流底缘到表面的初始出射角在很大范围内连续变化.射流上缘线是由收缩段出口表层的小层水体构成,在该层水体中沿垂线的流速V变化很小,可视为常数,但出射角的变化较大.因此在一定的出射流速V及从挑坎到下游面落差p的条件下,有一从表面以下Δh处出射角为θm的水质点形成的射流上缘线抛射得最远,落入下游水面.在Δh范围内出射角大于θm的水体是在射流上缘线到达最高点以前,连续不断的成散滴状向两侧倾倒落下,并且是出射角θ越大的越先跌落.实验中分层用针管注入有色水时清楚地观测到这种现象,并能找到出射角为θm的点.在这点注入红水,就能看到沿射流顶缘红水构成的完整上缘线,直至下游水面.根据上述概念,关于θm的求取,可按图2所示任一质点m,以初始速度V,出射角为θ,不计空气阻力的抛体运动方程式式中已用x=L、y=-p代入,在给定V(或H)、p的条件下,对式(7),求dL/dθ=0,即得到挑距L最大的出射角θm,在试验中对θm值的测量虽不很准确,但从初步测量结果看,实测值与式(8)的计算值基本一致.在出射角为θm点的流速Vm,由于垂线上流速分布的不均匀性,实则结果均比用式(6)计算的平均值稍大,并且随挑坎倾角的不同略有差异,整理的θ与n(=Vm/V2)的关系见图6.(三)上、下边缘的位移距离1.上缘误差式中h可近似用式(6)求得的h2代替;θm用式(8)计算;Vm=nV2,n从图6读取.2.坝内深孔出口窄缝挑坎射流上、下缘挑距如式中V用V2代入计算时,计算值与试验值比较见图8.两者基本一致.上述结果说明:坝内深孔出口窄缝挑坎射流上、下缘挑距可分别用式(9)及式(10)计算.五、点距坝体挑坎倾角1.通过试验研究,得到坝内深孔出口窄缝挑坎倾角变化对射流扩散、下游河床冲刷特性及冲刷坑起坑点影响的成果.为设计窄缝挑坎倾角提供依据.在选择挑坎倾角时,应确保冲刷坑起坑点距坝体有一定的安全距离.挑坎倾角选择适当,有更好的减冲效果.2.提出的窄缝挑坎射流上、下缘挑距计算式,经验算其值与试验值基本一致,可推荐用于窄缝挑坎射流挑距的计算