导流墙对弯道横断面水面差影响实验

摘要：为研究导流墙对溢洪道泄槽弯道段水流改善的效果，进行了不同水力条件下溢洪道泄槽弯道设置导流墙水工模型实验。结果表明：设置导流墙后，弯道横断面凹凸岸水面差比无导流墙条件下有明显的下降，但水面差仍然存在；弯道横断面凹凸岸水面差的变化规律与无导流墙时相同，即随流量的增大而增大、随底坡的增大而增大、随弯道轴线半径的增大而减小；导流墙的设置，使弯道横断面凹凸岸最大水面差发生的位置产生变化，有导流墙情况下，大多发生在弯道中间上下游相邻断面，无导流墙情况下，大多发生在弯道中间之前的上游断面。

关键词：溢洪道；泄槽；弯道；导流墙；水面差

中图分类号：TV135文献标志码：A文章编号：

16721683（2016）06014806

Experimental analysis on the influence of diversion wall on the surface difference of cross section of bend

WANG Tiantian1，CHANG Qian1，ZHANG Qinghua1，LI Shuning1，ZHAI Xingtao2

（1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Tai′an 271018，China；2.Water Conservancy Survey and Design Co.，Ltd.of Weihai City of Shandong Province，Weihai 264200，China）

Abstract：In order to study the effect of improving water flow in bend of spilling chute using diversion wall，hydraulic model experiments with diversion wall were carried out under different hydraulic conditions in this paper.The results showed that：After setting diversion wall，the surface difference of cross section in concave and convex banks was significantly lower than that in the absence of diversion wall，but the surface difference still existed；Variation of the surface difference was the same as that without diversion，the surface difference increased with the increase of flow rate and bottom slopes，and decreased with the increase of the radius of bend；After setting diversion wall in the bend of spillway chute，the position of the maximum surface difference changed.The maximum surface difference was seen in the vertically adjacent section of middle bend in the presence of diversion wall，whereas in the upstream section before middle bend in the absence of bend.

Key words：spillway；chute；bend；diversion wall；water surface difference

溢洪道是土石坝枢纽工程的重要组成部分，一般由进水渠、控制段、泄水槽、消能防冲设施及出水渠组成。由于泄水槽水流流速大，常为急流。因此，泄槽尽可能采用直线、等宽、对称布置，使水流平顺。但在实际工程中，由于受地形、地质等方面的限制，许多工程泄槽段需要设置弯道[15]。在弯道横向环流的作用下，弯道内产生横向冲击波，致使弯道凹岸水深加大，凸岸水深减小，从而使凹凸岸产生较大的水面差，导致泄槽横向水流不均匀，给下游消能带来不利的影响。因此，当溢洪道泄槽设置弯道段，且弯道轴线半径较小时必须采取工程措施，以改善溢洪道弯道水流条件。

改善弯道水流的工程措施主要有渠底超高法、复曲线法、渠底横向扇形抬高法、斜底槛法等。R.T.Knapp[6]、李建中等[7]、田嘉宁[8]对渠底超高法、复曲线法进行了研究；西北水利科学研究所对渠底横向扇形抬高法进行了研究[9]，认为通过渠底扇形抬高来平衡弯道急流的离心力作用，使水流沿横断面的水深逐渐得到调整，流速逐渐改变方向，达到各断面水深与流速分布均匀的目的。Knapp[10]、陈鑫荪[11]、邱秀云[12]通过对斜底槛法研究，认为斜底槛的作用是使渠道底层的水流改变方向，从而达到消减弯道水流冲击波的目的。除了以上方法外，西北水利科学研究所[13]、张银华[14]还对螺旋线法、缓冲消力塘法、局部抬高渠底法、消波墩、曲线型隔墩、人工加粗糙及复合曲线和渠底横向坡综合布置等方法进行了研究。上述方法都可以用来消减冲击波，改善弯道段水流流态，但有的受限于某一设计流量，有的施工难度较大，工程量较大。

利用导流墙改善溢洪道泄槽弯道水流已在工程实践中得到应用，该技术通过在弯道内沿轴线或在轴线两侧建设铅垂弯曲的导流墙，将弯道分割成两个或多个泄水渠道，改善了弯道的水流条件，从而降低了弯道横断面凹凸岸的水面差，使弯道横断面水流均匀。目前对该技术的研究主要有：张庆华等[15]、周文斌等[16]结合具体工程进行了模型试验，李博杰等[1718]对溢洪道泄槽弯道段设置导流墙水流改善机理探讨，闫滨等[19]以某水库为例对通过模型实验，研究了溢洪道陡槽设置导流墙对挑流消能的影响，翟兴涛[20]对溢洪道泄槽弯道段不同导流墙设置方案的水流特性进行了实验研究，张文静[21]利用实际工程模型实验，对溢洪道弯道段导流墙动水压力进行了初步分析。

本文利用溢洪道泄[HJ1.94mm]槽弯道段设置导流墙水工模型实验结果[20]，分析了弯道设置导流墙后流量、弯道半径、底坡等对其横断面凹凸岸水面差的影响，供溢洪道弯道水流研究和导流墙设计参考。

1实验方法

1.1实验模型

[JP+1]本实验在山东农业大学水利实验室进行。实验模型溢洪道泄槽为矩形断面，净宽B=500 mm，实验段长2 800 mm，包括进水段长400 mm、闸室段（3孔闸）长300 mm；闸后直线段泄槽长200 mm；泄槽弯道段轴线长1 500 mm；后接直线段泄槽长400 mm。导流墙位于弯道轴线，高度为70 mm。

实验模型依据弯道轴线半径分为R=3B、4B、5B（B为槽宽）三个实体模型；每个实体模型根据泄槽底坡i分为i=0005，001，002三种情况。实验模型由厚度为8 mm的PVC塑料板制作而成。

1.2实验方案

本研究依据溢洪道泄槽弯道半径、泄槽底坡及泄槽流量，将实验分为弯道有无导流墙、3个弯道半径、3个底坡、3个泄槽流量4种条件、54个实验方案。

导流墙在弯道泄槽中有以下三种情况：水位在导流墙以下、水位与导流墙齐平、水位在导流墙以上（即淹没导流墙）。经放水试验，上述三种情况控制流量分别为19，28，52 L/s。

1.3测量断面

测量断面分为垂直水流方向的横断面和顺水流方向的纵断面。根据实验研究需要，本实验弯道段共设计了6个横断面，每个断面设计了左右岸边、导流墙左右、距左右岸边1/4水槽宽的6条测垂线（纵断面），测量断面见图1。

2结果与分析

2.1流量对弯道横断面水面差的影响

图2-图4为溢洪道泄槽弯道半径、底坡相同条件下，弯道设置导流墙后，实测弯道各横断面凹凸岸水面差随流量的变化情况。

（1）由图2看到，弯道半径R=3B，底坡分别为i=0.02，0.01，0005的情况下，实测的15个断面的凹凸岸水面差都随流量的增大而增大。例如图2（a），当半径R=3B、底坡i=002时，断面2在流量Q=19 L/s情况下的水面差为109 mm，流量Q=[JP2]28 L/s情况下的水面差为337 mm，流量Q=52 L/s情况下的水面差为513 mm。

（2）由图3看到，半径R=4B，底坡分别为i=002、001、0005的情况下，在实测的15个断面中，有11个断面的凹凸岸水面差随流量的增大而增大。例如图3（b），当半径R=4B，底坡i=001时，断面3在流量Q=19 L/s情况下的水面差为106 mm，流量Q=28 L/s情况下的水面差为192 mm，流量Q=52 L/s情况下的水面差为406 mm。

（3）由图4看到，半径R=5B，底坡分别为i=002、001、0005[HJ1.9mm]的情况下，实测15个断面的凹凸岸水面差都随流量的增大而增大。例如图4（a），当半径R=5B，底坡i=002时，断面5在流量Q=19 L/s情况下的水面差为156 mm，流量Q=28 L/s情况下的水面差为240 mm，流量Q=52 L/s情况下的水面差为447 mm。

上述结果可以看出，弯道设置导流墙后，弯道横断面凹凸岸水面差仍然存在，其值随流量的增大而增大。

2.2底坡对弯道横断面水面差的影响

图5-图7为溢洪道泄槽流量、弯道半径相同条件下，弯道设置导流墙后，实测弯道各横断面凹凸岸水面差随溢洪道底坡的变化情况。

（1）由图5看到，流量Q=19 L/s，半径分别为R=3B、4B、5B的情况下，在实测的15个断面中，有10个断面的凹凸岸水面差随底坡的增大而增大。例如图5（a），当流量Q=19 L/s，半径R=3B时，断面6在底坡i=002情况下的水面差为255 mm，底坡i=001情况下的水面差为160 mm，底坡i=0005情况下的水面差为87 mm。

（2）由图6看到，流量Q=28 L/s，半径分别为R=3B、4B、5B的情况下，在实测的15个断面中，有13个断面的凹凸岸水面差随底坡的增大而增大。例如图6（a），当流量Q=28 L/s，半径R=3B时，断面5在底坡i=002情况下的水面差为256 mm，底坡i=001情况下的水面差为196 mm，底坡i=0005情况下的水面差为128 mm。

（3）[HJ2.35mm]由图7看到，流量Q=52 L/s，半径分别为R=3B、4B、5B的情况下，在实测的15个断面中，有12个断面的凹凸岸水面差随底坡的增大而增大。例如图7（c），当流量Q=52 L/s，半径R=5B时，断面4在底坡i=002情况下的水面差为375 mm，底坡i=001情况下的水面差为343 mm，底坡i=0005情况下的水面差为218 mm。

上述结果可以看出，弯道设置导流墙后，弯道横断面凹凸岸水面差随底坡的增大而增大。

2.3弯道半径对弯道横断面水面差的影响

图8-图10为溢洪道泄槽流量、底坡相同条件下，弯道设置导流墙后，实测弯道各横断面凹凸岸水面差随溢洪道弯道半径的变化情况。

（1）由图8看到，底坡i=002，流量分别为Q=19 L/s、28 L/s、52 L/s的情况下，在实测的15个断面中，有11个断面的凹凸岸水面差随半径的增大而减小。例如图8（a），当底坡i=002，流量Q=19 L/s时，断面6在半径R=3B情况下的水面差为255 mm，半径R=4B情况下的水面差为160 mm，半径R=5B情况下的水面差为64 mm。

（2）由图9看到，底坡i=001，流量分别为Q=19 L/s、28 L/s、52 L/s的情况下，在实测的15个断面中，有11个断面的凹凸岸水面差随半径的增大而[JP2]减小。例如图9（c），当底坡i=001，流量Q=52 L/s时，断面2在半径R=3B情况下的水面差为506 mm，半径R=4B情况下的水面差为376 mm，半径R=5B情况下的水面差为336 mm。

（3）由图10看到，底坡i=0005，流量分别为Q=19 L/s、28 L/s、52 L/s的情况下，[HJ1.9mm]在实测的15个断面中，有9个断面的凹凸岸水面差随半径的增大而减小。例如图10（b），当底坡i=0005，流量Q=28 L/s时，断面4在半径R=3B情况下的水面差为217 mm，半径R=4B情况下的水面差为182 mm，半径R=5B情况下的水面差为115 mm。

上述结果可以看出，弯道设置导流墙后，弯道横断面凹凸岸水面差随弯道半径的增大而减小。

[BT（3]2.4[ZK（][JP+1]有无导流墙弯道[JP+2]横断面最大水面差的比较[ZK）][BT）]

（1）弯道横断面凹凸岸最大水面差。

实测有无导流墙条件下，溢洪道弯道段横断面凹凸岸最大水面差见图11 （图中横坐标3B002表示弯道轴线半径为R=3B，底坡i=002，其它类推）。

由图11可看到，设置导流墙后，溢洪道弯道段横断面凹凸岸最大水面差明显降低。例如图11（a），当流量Q=28 L/s，半径R=3B，底坡i=001，时，有导流墙情况下的凹凸岸最大水面差为234 mm，无导流墙情况下的凹凸岸最大水面差为497 mm。

（2）最大水面差发生的位置。

由实验数据，溢洪道弯道段横断面凹凸岸最大水面差发生的位置次数统计见图12。

由图12可看到，有导流墙情况下，最大水面差发生的位置次数为：在22、33、44、55、66断面处分别发生9次、4次、7次、3次、4次；无导流墙情况下，最大水面差发生的位置次数为：[JP2]在22、33、44、55、66断面处分别发生1次、17次、4次、0次、5次。

上述结果可以看出，有无导流墙条件下，弯道横断面凹凸岸最大水面差发生的断面位置不同。有导流墙情况下，凹凸岸最大水面差主要发生在弯道2至4断面，即1/5～3/5弯道内（其中以弯道中间上下游相邻断面居多）；无导流墙情况下，凹凸岸最大水面差主要发生在弯道3断面，即2/5弯道断面，该断面在弯道中间之前的断面。可见，有导流墙情况下，弯道横断面凹凸岸最大水面差发生的位置有变化。其原因是低于导流墙的水流，由于导流墙水流的“分割”作用，将其分割为两个泄槽内，从而改变了泄槽底部的横向水流。

3结论

（1）导流墙对溢洪道泄槽弯道段水流有影响，表现在；（a）有导流墙与无导流墙相比，弯道横断面凹凸岸水面差有明显的下降，但水面差仍然存在；（b）导流墙的存在，改变了弯道横断面凹凸岸最大水面差发生的断面位置。有导流墙情况下，凹凸岸最大水面差大多发生在弯道中间上下游相邻断面；无导流墙情况下，凹凸岸最大水面差大多发生在弯道中间之前的上游断面。（2）导流墙对弯道横断面凹凸岸水面差的变化规律基本无影响，与无导流墙时基本相同，即水面差大小随流量的增大而增大、随底坡的增大而增大、随弯道半径的增大而减小。

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