窄縫式挑坎動水壓強的計算方法

窄縫式挑坎動水壓強的計算方法

窄縫采集板通過收集河流鼻板兩側的邊緣墻的收縮，形成云底下游的狹窄縫，使水流沿水平方向收縮，并將云底出口斷面的下游拉至垂直方向。它以垂直方向上的縱向聞名。此外，海水的舌頭形成了巨大的扇形，增加了水舌的碰撞、混合和消耗，降低了進入下游河床的水體單位面積的能量，減少了下游河床的磨損。由于窄縫式挑坎下游形成橫向寬度小、縱向長度長的挑射水舌,因此,窄縫式挑坎特別適用于高水頭、狹谷河段水利樞紐的泄水建筑物。1收縮比和收縮角窄縫式挑坎的體型布置可見圖1,其主要的體型參數有:①收縮比η=b/B,B為收縮段起始斷面寬度,b為窄縫出口斷面寬度;②收縮角θ或收縮率β:θ=tg-1(B-b2L)?β=B-b2L?L為收縮段長度;③挑坎挑角α。自20世紀80年代以來,窄縫式挑坎消能工在國內得到了較深入和系統(tǒng)地研究,并已應用于多項水利工程泄水建筑物的設計和建設。據不完全統(tǒng)計,國內部分已建和在建(或模型試驗推薦方案)水利工程的泄水建筑物窄縫式挑坎體型參數見表1。由表1的資料分析可知:(1)窄縫式挑坎收縮比η一般可選用0.2～0.4,具體工程可根據其泄流單寬流量大小而確定。如廣東省老爐下水庫溢流壩陡槽段的最大泄流單寬流量為13.81m3/(s·m),相應單寬流量較小,故其窄縫式挑坎選擇的收縮比(η=0.1087)相應較小。現(xiàn)階段,窄縫式挑坎收縮比η的初步選擇可參考文獻等,并應由模型試驗來最終確定。(2)直線收縮邊墻的窄縫式挑坎的收縮角θ應選較小者為宜。若收縮角θ較大,則收縮段內水流受沖擊波擾動影響較大,相應增大邊墻的沿程水深,增加收縮邊墻的高度,同時沖擊波交匯后水花飛濺現(xiàn)象較嚴重。圓弧收縮邊墻窄縫式挑坎的單位長度的收縮率相應較小,收縮段內水流受沖擊波影響相應較小,兩側邊墻的沿程水深比直線收縮邊墻相應降低,稍優(yōu)于直線收縮邊墻的窄縫式挑坎,但圓弧收縮邊墻施工比直線收縮邊墻稍復雜,應綜合比較后選用。(3)窄縫式挑坎挑角α多為0～10°范圍。挑角α較小者,出坎的內、外緣水舌之間的下游入水縱向長度拉大,有利于減輕對下游河床的沖刷。(4)根據工程資料的統(tǒng)計,窄縫式挑坎出口斷面形式以矩形和梯形居多。矩形斷面結構較簡單,施工較方便,但對各級洪水流量適應性稍差些,流量較小時,出坎水流不易起挑;流量較大時,出坎上緣水舌挑角過大,使水舌挑距反而縮短,因此,矩形出口斷面的窄縫式挑坎較適用于泄流量變幅不大的消能工。梯形斷面較適用各級洪水流量變化較大挑流的要求,但其結構形式和施工稍復雜。因此,一般建議無閘門控泄的泄水建筑物宜采用梯形出口斷面較佳,而有閘門控泄的泄水建筑物可綜合考慮后選用矩形或梯形出口斷面,并可在窄縫式挑坎較佳挑射流量時開閘泄洪。2窄縫固體動水壓力特征2.1縫收縮段內的水流動力學窄縫式挑坎段動水壓強通常由兩部分組成,一是反弧段曲率邊界引起的離心慣性力,二是由窄縫收縮段急流橫向收窄產生的附加動水壓力。由于窄縫收縮段兩側邊墻的收縮,進入收縮段的高速水流對兩側收縮邊墻產生了強烈的沖擊,收縮段內形成急流沖擊波,收縮段內水流產生與反弧曲率同向的彎曲,對收縮段兩側邊墻及底板產生了附加離心慣性力。文獻經大量的模型試驗表明:①收縮段內的動水壓強不再符合靜水壓強分布規(guī)律,而比斷面實際的水深大得多;②收縮段內的動水壓強沿程增加,并在出口斷面附近達到峰值;③收縮段內的底板和邊墻的最大動水壓強值和斷面位置相近。2.2收縮段的動水壓計算公式2.2.1反弧段有效長度r采用同心圓理論,可得出反弧段最大離心力壓強值計算式:pcγ=[1-(R-hR)2](Η-h)(1)式中:R為反弧段曲率半徑;h為反弧段水深;H為反弧段總水頭。對于鼻坎挑角α=0的反弧段,其離心力壓強最大值位置靠近反弧段出口處。2.2.2收縮段3hk文獻根據大量的模型試驗資料分析,提出了平底、挑角α=0°的窄縫收縮段的最大動水壓強及其位置的計算公式為:peγΗ=0.2642(Bb+β)1.1277(ˉhk)0.9082(2)LSL=0.965-1.4ˉhk(3)ˉhk=3√q2/g/Η式中:ˉhk為相對臨界水深;q為收縮段進口斷面單寬流量,H為收縮段總水頭;LS為最大壓強斷面到收縮段起始斷面的水平投影距離。式(2)和式(3)的試驗范圍為:0.125≤b/B≤0.4?0.133≤β≤0.194?0.0818≤ˉhk≤0.162?α=0°。2.2.3反弧段pm/的計算由式(2)和式(3),窄縫式挑坎內最大動水壓強pm/γ計算公式可寫為:pmγ=h1+pcγ+μpeγ(4)式中:h1為收縮段進口斷面水深,本文(1)式的反弧段水深h采用h1值;μ為系數。2.3收縮率及自由振動值參照廣東省老爐下水庫溢流壩制作的1∶30模型(見圖2和圖3),其陡坡段寬B=11.5m,由反弧段起點往下游收縮成窄縫式挑坎,兩方案的窄縫式挑坎體型參數為:①方案1反弧段起始斷面高程為112.4m,反弧段半徑R=15m,出口斷面寬b=2.7m,收縮段長L=13.79m,收縮比b/B=0.235,收縮率β=0.319,挑角α=0°;②方案2反弧段起始斷面高程為116.5m,反弧半徑R=20m,出口斷面寬b=2.1m,收縮段長L=17.88m,收縮比b/B=0.1826,收縮率β=0.2629,挑角α=0°。兩方案的水力參數見表2。方案1和方案2模型測試的窄縫式挑坎底板最大動水壓強值及位置見表3和表4,方案2窄縫式挑坎底板沿程動水壓強分布見圖4。由式(1)～(4)計算的窄縫式挑坎內底板最大動水壓強值及其位置見表3和表4(計算中式(4)的系數μ可根據試驗反算取1.2～1.3),計算值與模型試驗值較接近,因此,本文的計算方法可用于估算窄縫式挑坎內底板和邊墻底部的最大動水壓強值及其斷面位置。在工程實際計算中,本文建議:①式(4)的系數μ可取1.2～1.3,視窄縫式挑坎比值B/b的增大而取較大值;②窄縫式挑坎收縮率β遠比B/b值小,故式(2)、(3)收縮率