臂坡对堰槽组合设施紊流结构影响试验研究

堰槽组合设施在山区河流流量监测中具有很大优势,臂坡作为其关键形状参数,可以调节堰槽组合设施内水动力特性,改变堰后泥沙沉积分布和下游冲刷形态。为进一步探索臂坡对堰槽组合设施水流紊动特性的影响,通过室内试验,分析不同臂坡、来流强度及底坡因素影响下的底层水流特性变化,探究流速、紊动能、床面切应力等参数分布规律,揭示堰槽组合设施运行过程中水流能量耗散及冲刷机理。研究结果表明:臂坡影响流量的横向分布,臂坡增大加剧水流聚中,使两侧堰后水流下切回流增强,增加溯源冲刷风险;臂坡和底坡增大导致堰后两侧紊动强度及紊动能增大,加剧了堰下水流能量耗散,有效提高了设施的消能率;相比雷诺切应力法,设施后床面剪切应力计算更适合采用修正紊动能法且床面剪切应力较大值主要集中在两侧堰后区域;大尺度涡结构主要集中在排淤量水槽出口两侧,而其他涡区分布在两侧堰后区域。

臂坡对堰槽组合设施测流影响分析

针对堰槽组合设施在遭遇洪水、水位较高时引发的坡脚掏蚀、岸坡冲刷崩塌等问题,将设施两侧堰顶设置一定坡度,形成向槽内倾斜的臂坡,使水流向设施中部集中,减少对两岸边坡的冲蚀。采用水力性能试验的方法,对3种臂坡(0,1/16和1/8)在12种流量(6~61 L/s)条件下的中垂面水深、弗汝德数沿程变化规律、臂坡对设施泄流能力的影响及流量公式进行研究。结果表明:(1)3种臂坡下的堰槽组合设施水深沿程变化相似,随着臂坡的增大,中垂线上游水位壅高增大,两侧堰靠近岸坡一侧的堰上水深减小,明显减少了水流对两岸边坡的冲蚀;(2)臂坡对临界流断面位置影响较小,集中出现在排淤量水槽梯形窄段的后半段;同一流量下,堰槽组合设施的流量系数随臂坡的增大而减小;同一臂坡下,堰槽组合设施的流量系数随着流量的增大而减小;(3)相对水头较小时,流量系数变化明显,相对水头较大时,流量系数相对稳定,将流量系数分为变动流量系数和稳定流量系数2个区,并分别拟合出不同臂坡条件下的流量计算公式,与实测流量相比,臂坡为0、1/16和1/8时,相对误差绝对值的最大值分别为2.22%、2.37%和2.21%,平均相对误差分别为0.88%、0.95%和1.15%。此外,在流量为11和21 L/s时,臂坡的增大使得流量公式计算值的相对误差由-2.22%降至-0.44%和由2.35%降至-0.24%。综上,臂坡的存在能够减少水流对两岸边坡的冲蚀,对临界流断面的影响较小,增大臂坡还可有效提高堰槽组合设施在小流量情况下的测量精度。