1、第 40 卷 第 1 期2023 年 1 月长江科学院院报Journal of Changjiang iver Scientific esearch InstituteVol 40No 1Jan 2023收稿日期:2021 08 12;修回日期:2021 11 09基金项目:国家自然科学基金项目(51469031);新疆维吾尔自治区高校科研计划创新团队项目(XJEDU2017T004)作者简介:俞晓伟(1998 )，男，安徽芜湖人，硕士研究生，研究方向为水力学及河流动力学。E-mail:2567921009 qq com通信作者:牧振伟(1973 )，男，河南南阳人，教授，硕士，博士生导师，研
2、究方向为水力学及河流动力学。E-mail:xjmzw163 comdoi:10 11988/ckyyb 202108232023，40(1):107 115低弗劳德数梯形墩 悬栅消力池水力特性俞晓伟1，2，牧振伟1，2，高尚1，2(1 新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052;2 新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，乌鲁木齐830052)摘要:针对大单宽流量、低弗劳德数消力池内消能问题，通过物理模型试验方法，对比分析消力池内加设梯形墩和悬栅消能工后水力特性和消能效果，优化梯形墩 悬栅消力池布置形式。结果表明:在低弗劳德数水流条件下，梯形墩 悬栅联合消能工断面水深分布均匀，消力
3、池底板沿程压力分布梯度和时均压力分布系数波动幅度较小，整体稳定性较优;动能修正系数基本保持在 1 2 的范围内，可有效改善入池断面流速分布;消能率由传统消力池的52 25%、70 37%、7589%分别提升至5674%、75 95%、79 22%;梯形墩 悬栅消力池内悬栅单排等间距、高度与尾坎同高布置时，梯形墩呈双排交错形式布置在距池首0 35L左右处对于整体流态改善明显，消力池出口流速可降至0 4 m/s，消能率提高至59 63%、76 12%、79 37%，研究结果可为同类工程的底流消能问题提供一种新思路。关键词:低弗劳德数水流;梯形墩 悬栅;水力特性;布置形式;时均压力分布系数中图分类号
4、:TV1316文献标志码:A文章编号:1001 5485(2023)01 0107 09开放科学(资源服务)标识码(OSID):Hydraulic Characteristics of Trapezoidal Pier Suspended Grid StillingBasin with Low Froude NumberYU Xiao-wei1，2，MU Zhen-wei1，2，GAO Shang1，2(1 College of Hydraulic and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi830052，China
5、;2 Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security and Water Disasters Prevention，Urumqi830052，China)Abstract:The layout form of trapezoidal pier and suspension grid in stilling basin is optimized through comparativeanalysis of the hydraulic characteristics and energy dissipation effect in
6、 the presence and in the absence of trape-zoidal pier and suspended grid in stilling basin via physical model test esults show that under the condition of wa-ter flow of low Froude number，the trapezoidal pier-suspended grid joint energy dissipator could generate uniformwater depth distribution，small
7、er fluctuation range of pressure distribution gradient along the stilling basin floor andtime-averaged pressure distribution coefficient，and better overall stability The kinetic energy correction coefficientbasically maintained in the range of 1 2，which can effectively improve the velocity distribut
8、ion at the sec-tion of pool entrance The energy dissipation rate increased from 52 25%，70 37%and 75 89%to 56 74%，75 95%and 79 22%，respectively With the trapezoidal pier at about 0 35 L away from the head of stilling basinwith staggered double row when the height of suspension grid is the same as tha
9、t of tail ridge and arranging in singlerows at equal spacing in the trapezoidal pier-suspension grid stilling basin，the overall flow pattern improves obvi-ously，the flow rate at the outlet of stilling basin reduces to 0 4 m/s，and the energy dissipation rate increases to59 63%，76 12%and 79 37%The res
10、earch results offer an idea for the underflow energy dissipation of similarprojects长江科学院院报2023 年Key words:water flow of low Froude number;trapezoidal pier-suspended grid;hydraulic characteristics;layoutform;time-averaged pressure distribution coefficient1研究背景底流消能具有流态稳定、适应性强、雾化小等特点，广泛应用于中、低水头泄洪消能工程1
11、2。但对于大单宽流量、低弗劳德数的消力池，研究表明3 4 低弗劳德数水跃具有消能不充分、断面流速分布不均、水面波动较大等特点，对下游河床造成严重冲刷侵蚀。因此，对于低弗劳德数底流消能消力池内水力特性的研究尤为重要。低弗劳德数底流消能的效率低，消力池工程量大，一般需要设置辅助消能工5。国内外学者采用多级消力池6、T 型墩7、趾墩8、消力墩9、悬栅10 等辅助消能工进行消能，效果显著。近年来，辅助消能工的联合应用成为解决低弗劳德数底流消能问题的新思路。黄智敏等11、李元杰等12、王亚洲等13、邢建营等14 通过水工模型试验分别提出消力墩结合消力坎、宽尾墩结合消力墩、T 型墩结合尾坎、跌坎结合改良
12、T 形墩的新型联合消能工，有效降低池内水面波动，提高消能率的同时减缓下游河床的冲刷;孙文博等15 16 对比研究低弗劳德数趾墩 悬栅联合消能工与单一悬栅的水力特性差异，验证了联合消能工能有效降低脉动压力、加剧紊动混掺、提高消能效果;吴战营等17 18 首次提出悬栅梯形墩联合运用的综合式消力池，解决了消力池内单独设置梯形墩水流溢出不能形成淹没水跃的问题。前人的研究成果为梯形墩 悬栅联合消力池内水力特性分析提供基础，但都偏向于应用研究，缺乏梯形墩和悬栅联合消能工消能机理方面的研究。本文结合新疆某水库泄洪洞消力池，通过物理模型试验方法，从水流流态、水面线变化、消力池沿程压力、流速分布、消能率等方面对
13、比分析低弗劳德数消力池加设梯形墩和悬栅消能工后池内水力特性分布规律，并对梯形墩 悬栅联合消力池内布置形式进行优化，促进低弗劳德数梯形墩 悬栅联合消能工消能机理和应用研究，对实际工程有参考价值。2模型试验与概况21模型设计结合新疆某水库泄洪洞消力池，试验模型按照重力相似准则设计，几何比尺为1 71 3，试验装置采用自循环式供水系统，主要包括上游水箱区、模型试验区、量水堰区、下游水池区和水泵区。试验装置布置如图 1 所示。其中，模型试验段采用透明有机玻璃板制作，试验流量测量采用直角三角形量水堰，水深及水面线测量采用精度为 0 1 mm的测针。图 1试验装置布置示意图Fig1Schematic di
14、agram of test device layout试验段模型共分为 3 个区域:矩形引渠段、消力池入口陡坡扩散段和消力池段。区引渠段长25 cm，截面尺寸为 8 cm 39 cm;区扩散段左右对称，扩散角为 5，进出口宽度分别为 8、18 cm;区消力池池长为 70 cm，尾坎高度为 5 5 cm，消力池出口护坦与消力池同宽，长为 30 cm，护坦出口后接直角三角形量水堰。梯形墩呈“品”字形沿消力池中轴线对称布置于消力池池身段，墩厚3 6 cm，首排墩距消力池入口13 5 cm，墩间距3 6 cm，布置 2 个;第二排墩间距2 6 cm，布置 3 个。悬栅在消力池内沿流向串列等距布置，共布
15、置 12 根，首根悬栅距消力池入口 3 cm，悬栅底部高程与消力池尾坎相同，相邻悬栅间的距离为 4 cm。位置坐标系为:以 I 区引渠段起始位置底板中心为坐标原点，水平向下游为 x 轴，向上为 z 轴。试验模型布置如图 2 所示。图 2试验模型布置Fig2Layout of test model22试验方案研究表明，一般把弗劳德数 Fr4 5的水跃称为低弗劳德数水跃，其具有整体消能效果欠佳、水面波动较大的特点。为了准确判断消力池在不同来流条件下的水力特性及消能效果，将来流条件按照弗801第 1 期俞晓伟 等低弗劳德数梯形墩 悬栅消力池水力特性劳德数 Fr 划分，弗劳德数的取值范围为 2 4 5
16、。根据消力池内辅助消能工的布置方式，设计了 3 个Fr 工况下的 4 种方案，试验通过利用上游水位和闸门开度控制 Fr 和下泄流量，为方便统计，按照消能工布置情况和来流条件将试验组次依次编号为 G1、G2、G12，具体方案参数见表 1。表 1试验方案Table 1Test plan方案组次布置方案Fr流量 Q/(Ls1)1234G1G5G9G2G6G10G3G7G11G4G8G12无梯形墩悬栅梯形墩 悬栅2 102 743 674 794 185 452 102 743 674 794 185 452 102 743 674 794 185 452 102 743 674 794 185 453试验结果与分析31水流流态及水面线变化3 1 1水流流态Fr=2 10的工况条件下，4 种方案的消力池池内流态如图 3 所示。如图 3(a)所示，传统消力池无消能工时，池内未产生明显的水跃结构，紊动掺气较少，消能效果不理想;如图 3(b)所示，随着梯形墩的置入，水流在陡坡末端产生大尺度紊动，消力池前水流表面产生明显卷吸漩滚，由于梯形墩的阻水作用，水流阻力增加，水流在消力池前产生壅水，跃后水深增加
