CN111733780B - 适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构及控制方法，该流态控制结构包括设置于弯道内以水流最大爬坡角为中心的若干级间隙式舌压板，舌压板两侧固定于泄洪隧洞两侧壁面上，位于水流最大爬坡角附近的舌压板压角不大于10°，之后往最大爬坡角两侧舌压板压角逐级增大，相邻两级舌压板压角增幅为3°～10°；所述爬坡角为水流流向与水平方向之间的夹角，所述舌压板压角为压板与水平面之间的夹角。该流态控制结构及流态控制方法较大程度优化了水流流态，使横断面流速、水深分布趋于均匀，急流冲击波的影响得到消除，具有很强的实用性，值得在业内推广。

Description

适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构及控制方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，涉及水利工程或城市排水中隧道转弯段高流速水流流态控制技术，具体涉及一种适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构及控制方法。

背景技术

在水利水电工程建设过程中，由于受地形地质条件、工程特点、工程投资等综合因素的影响，泄水建筑物不得不在某特定位置布置成转弯段形式。高流速水体在进入弯道后，受离心力、重力的影响以及边墙转弯对水流流向的限制作用，弯道内会形成较为恶劣的急流冲击波流态，若不加以控制，其下游长距离内会形成左右往复的折冲水流，引发诸多水流衔接和消能相关的水力学问题。

目前，通过模型实验和数值模拟的方法对急流弯道问题进行了大量的研究，提出了诸多改善措施，主要包括：渠底超高法、复合曲线法、导向翼法、悬栅和悬栅板法等。但研究对象都主要针对开敞式溢洪道。

水流弗氏数大、流速高的泄洪隧洞中的急流弯道受通气条件限制，其水流形态控制更具有复杂性，针对开敞式溢洪道急流弯道相关研究成果难以适用于泄洪隧洞。

因此对泄洪隧洞弯道急流开展研究，掌握相应的弯道急流冲击波的控制技术，具有重要的学术意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的旨在针对现有泄洪隧洞弯道急流水流形态控制技术的空白，提供一种适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构及控制方法，该流态控制结构和流态控制方法根据泄洪隧洞弯道急流的运动规律，因势利导在隧道弯道段设置导控结合的间隙式舌压板，可以有效改善弯道段水流流态，消除急流冲击波的影响。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案来实现。

本发明提供了一种适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，包括设置于弯道内以水流最大爬坡角位置处为中心的若干级间隙式舌压板，舌压板两侧固定于泄洪隧洞两侧壁面上，位于水流最大爬坡角附近的舌压板压角不大于10°，之后往最大爬坡角两侧舌压板压角逐级增大，相邻两级舌压板压角增幅为3°～10°；所述爬坡角为水流流向与水平方向之间的夹角，所述舌压板压角为压板与水平面之间的夹角。

当水流最大爬坡角附近只设置一块舌压板时，其设置于水流最大爬坡角处；当水流最大爬坡角附近设置两块舌压板时，以水流最大爬坡角位置处为中心，两块舌压板布设于水流最大爬坡角两侧，且水流最大爬坡角两侧舌压板反对称排列布设。各级舌压板协调合作通过压制和疏导水流的方式，将弯道内的水流控制在压板下并导向下游；舌压板间的间隙和洞顶上方的临空面形成了良好的气流通道，以满足弯道内的水流在行进过程中，压板作用空间范围内与洞顶上方气流通道之间有较为充足的气体交换，可为压板下的水气混合体释放或补充空气，改善弯道及下游流态或压板的运行条件。

上述适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，位于水流最大爬坡角附近的舌压板压角优选为3°～10°，进一步优选为3°～5°。位于上游的第一级舌压板和位于下游的末级舌压板压角不超过15°。位于上游的第一级舌压板和位于下游的末级舌压板其控制范围内水流爬坡角最小，因此压角较大，其主要作用是引导水流的横向迁移和平稳水流。工程设计中可根据实际情况对舌压板压角进行合理调整。

上述适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，所述舌压板长度不宜超过4m。舌压板的长度决定了单块压板的作用范围，长度上应尽量避免舌压板长度过长，以防止单个压板长度范围内出现明满流交替现象或空化空蚀问题的发生；但是舌压板长度过短，压板的作用区间太短，其对水流压制效果也有限，另外压板长度短其数量就要增加，也就加大了工程成本。因此优选在实际工程中舌压板长度不宜超过4m。

上述适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，位于下游的末级舌压板布置于第一波峰位置处。由于在第一波峰出现后，水流流向开始向下，因此舌压板布置在水流沿凹岸爬坡时较难控制的上升阶段，以限制凹岸水体水位的壅高。舌压板的预留过水高度由最优下泄流量工况确定，以满足当来流量低于该工况时，舌压板均有较好的工作效果，优选位于下游的末级舌压板其末端预留过水高度为弯道进口最大水深的1.5～2.5倍，其他各级舌压板可递推得到。

上述适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，各级舌压板顶端安装高度一致，各级舌压板首尾连接。各级舌压板安装高度一致是为保持舌压板结构的整体性。为保证舌压板整体的压制效果更好，整体布置上让相邻两级舌压板首尾对接，在优选的实现方式中，相邻两级舌压板首尾在凸岸平面投影重合。由于相邻两级舌压板压角不同，因此相邻两级压板间仍有较大的空隙来保证水流与空气充分接触。

本发明进一步提供了一种适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制方法，该流态控制方法包括以下步骤：

步骤(A)，根据实测或经验公式，确定泄洪隧洞弯道内水流最大爬坡角；

步骤(B)，以水流最大爬坡角位置处为中心，在弯道内布置若干级间隙式舌压板，舌压板两侧固定于泄洪隧洞两侧壁面上，位于水流最大爬坡角附近的舌压板压角不大于10°，之后往最大爬坡角两侧舌压板压角逐级增大，相邻两级舌压板压角增幅为3°～10°，进一步优选为3°～5°。

上述适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制方法，以避免爬坡水体在与舌压板接触时交角过大而产生大的水花飞溅为原则，调整各级舌压板压角至合理幅度；以各级舌压板起到对水流最大的压制效果同时避免水体沿压板空隙形成回水甚至飞溅为原则，调整各级舌压板预留过水高度至合理高度。

上述适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制方法，所述步骤(A)中，爬坡角β即为水流流向与水平方向的夹角，可以采用本领域常规方式获取最大爬坡角。常规城门洞型泄洪洞体型下其转弯段凹岸水流在爬坡过程中，水流整体的运动趋势是以第一波峰为分界线，呈现出上游流向向上，下游流向朝下，最高点处流向水平的特点。实测中，以相邻两测点间的水深平均变化率，Δh/Δl(即水深差比上间距)作为该点爬坡角的正切值tanβ；水深平均变化率越大，即tanβ越大，则该点爬坡角越大。由于弯道进口流向水平，因此tanβ＝0。根据实测第一波峰均未达到顶拱情况下，该水流最大爬坡角位置接近为其形成第一波峰距离的1/2处。第一波峰位置也可参照Reinauer and Hager公式获取：

式中：θ_M为第一波峰出现位置，以圆心角度表示；F₀为弯道进口弗氏数；ρ_a为相对曲率半径＝洞宽/转弯半径。

上述适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制方法，所述步骤(B)中，水流最大爬坡角附近布置的舌压板主要用于应对主流的冲击且最大冲击角的考验，需要将水流控制在舌压板下并平顺导入下游，因此在水流最大爬坡角附近布设舌压板时应使舌压板压角较小，以避免爬坡水体在与压板接触时交角过大而产生大的水花飞溅，水流最大爬坡角处布置的舌压板压角优选为5°～10°。以水流最大爬坡角位置处为中心，位于上游的次级舌压板的位置所处的水流爬坡角渐次减小，其主要将整股水流的表层水体阻挡并压制在压板下以减小下游各级压板的压力，压角相比水流最大爬坡角处布置的舌压板稍有增大；位于下游的次级舌压板其位置所处的水流爬坡角也渐次减小，其对水流的压制使水体沿压板底面翻越至凸岸实现一定程度上水流流量的横向迁移，同时起到平顺水流的作用，因此以水流最大爬坡角处布置的舌压板为中心相邻两级舌压板压角增幅优选为3°～10°，进一步优选为3°～5°，进一步地，位于上游的第一级舌压板和位于下游的末级舌压板压角优选不超过15°。实际工程应用中，可根据上述原则调试舌压板压角参数，以达到较好控制效果。

上述适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制方法，所述舌压板长度优选不宜超过4m，以免在单个舌压板作用范围内出现明满流交替现象或空化空蚀问题，各级舌压板长度优选一致。

上述适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制方法，所述步骤(B)中，为使舌压板起到对水流最大的压制效果同时避免水体沿压板空隙形成回水甚至飞溅，舌压板的预留过水高度由最优下泄流量工况确定，以满足当来流量低于该工况时，舌压板均有较好的工作效果，优选，位于下游的末级舌压板的末端预留过水高度优选为弯道进口最大水深的1.5～2.5倍，其末段优选布置于第一波峰位置处。

上述适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制方法，为保持压板结构的整体性，各级舌压板顶端安装高度优选保持一致；为进一步保证舌压板整体的压制效果更好，优选各级舌压板首尾对接。

本发明提供的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构及控制方法具有以下有益效果：

(1)该流态控制结构即为间隙式舌压板设置，各级舌压板通过协调合作将弯道段的水流控制在压板下，避免爬坡水流冲击洞顶，保证了隧洞洞顶余幅充足；

(2)通过间隙式舌压板的设置，凹岸水体受舌压板引导，水流产生由凹岸至凸岸的横向迁移，凸岸露底范围消失，弯段内水面横比降极大减小；

(3)通过间隙式舌压板的设置，水流经舌压板压制后，流态得到极大改善，下游直段内的水流流动平顺，横断面上水深、流量分布变得均匀，急流冲击波的影响得到消除；

(4)通过间隙式舌压板的设置，各级舌压板的压角根据水流爬坡规律而定，其间隙设置保证了压板作用空间范围内与洞顶上方临空面间的自由气体交换，有效改善了弯段水流流态和压板的运行条件。

附图说明

图1是实施例1中实验模模型整体平面图；

图2是实施例1中实验模型整体剖面图；

图3是实施例1中水深测点布置图；

图4是实施例1中底板压强测点布置；

图5是实施例1中凹岸侧壁压强测点布置；

图6是本发明舌压板三维示意图；

图7是本发明舌压板体型剖面图；其中图(a)为间隙舌压板体型沿弯道段纵剖面图，图(b)为间隙舌压板体型横剖面图；

图8是实施例1中舌压板体型弯道段纵剖面图；

图9是实施例1中舌压板体型弯道段模拟示意图，其中图(a)为三维示意图，图(b)为平面示意图；

图10是实施例1中转弯段凹岸爬坡角示意图；

图11是实施例1各工况下两种体型下游直段水深分布情况对比图，其中图(a)为q＝0.160(m²·s^-1)工况，图(b)q＝0.180(m²·s^-1)为工况，图(c)为q＝0.219(m²·s^-1)工况，图(d)为q＝0.235(m²·s^-1)工况；

图12是实施例1各工况下泄洪洞底板两种体型底板时均压强分布对比图；

图13是实施例1各工况下弯道段两种体型凹岸5cm和10cm高处侧壁压强对比图，其中图(a)为q＝0.160(m²·s^-1)工况，图(b)q＝0.180(m²·s^-1)为工况，图(c)为q＝0.219(m²·s^-1)工况，图(d)为q＝0.235(m²·s^-1)工况；

图14是实施例2中舌压板体型弯道段纵剖面图；

图15是实施例2中设置舌压板前后泄洪隧洞整体流态对比图，其中图(a)为原体型下的流态图，图(b)为设置间隙舌压板后的流态图；

图16是实施例2中设置舌压板前后泄洪隧洞平面流场对比图，其中图(a)为原体型下的平面流场图，图(b)为设置间隙舌压板后的平面流场图；

具体实施方式

以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。

实施例1

1、试验模型

本实施例为模型试验，模型设计依据《水工(常规)模型试验规程》(SL155-95)和《水工与河工模型常用仪器校验方法(SL/T 223-1999)》的相关规定执行。根据试验目的和研究特性，采用正态整体试验模型。整个水工试验模型主体部分包括上游库区、龙抬头段、直线调整段、转弯段、下游直段。泄洪洞总长13.58m，其中龙抬头段5.72m，为使下泄水流能平稳进入弯道，在龙抬头之后接3.00m直线调整段；转弯段弧长为1.36m，下游直段长3.50m。弯道中心轴线的转弯半径R＝1.22m，转角63.7°，转弯段与下游直段底坡均为平段。隧洞横断面为常规城门洞型，宽度为0.25m，直墙高度0.30m，顶拱圆心角118°，顶高0.07m。模型整体剖面图、平面图分别如图1和图2所示。试验模型泄洪隧洞采用有机玻璃制作。

2、试验方案

本实施例对比常规城门洞型泄洪洞(即不在试验模型中设置本发明提供的流态控制结果)与本发明提供的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构及流态控制方法(以下及附图中简称间隙式舌压板)所控制的泄洪洞弯道段及下游直段各水力指标的分布及变化规律，采用5个不同来流条件来进行试验分析。试验中通过控制上游水箱水位和泄洪洞进口开度来创造不同来流条件，模型试验工况表如表1所示。其中q表示单宽流量；Fr表示弯道进口的水流弗氏数；h₀表示弯道入口处水深；v表示入弯流速。

表1试验工况表

模型试验拟对泄洪隧洞转弯段和下游直段各工况下水流形态、沿程水深、底板压强、侧壁压强等水力参数进行观察/量测，相关测点布置如下：

(1)水深测点布置：

为了较好地刻画弯道段及下游直段的急流冲击波形态，从弯道入口至泄洪洞出口布置26个水深测点，左右岸测点位置相互对应。其中弯道段1#～11#测点等分弯道；直段11#～15#各测点间距为40cm，15#～23#各测点间距为50cm，23#～25#各测点间距为70cm。水深测点布置图如图3所示。

(2)压强测点布置：

试验中对转弯段和下游直段的底板进行了压强测量，测点位置布置在泄洪洞中心轴线上，各测点桩号位置与水深测点对应关系具体如图4；同时为了解受急流冲击波影响下的转弯段凹岸侧壁压强的分布特性，在弯道凹岸内壁分别布置了距底板高度5cm和10cm的压强测点，压强测点编号及位置相对水深测点分布具体如图5所示。

3、本实施例中的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构及流态控制方法

如图6所示，舌压板整体呈长方形，上下两侧与泄洪隧洞壁面结构相匹配。

如图7所示，舌压板布置参数包括：舌压板布置高度H；舌压板预留过水高度h；舌压板压角α；舌压板长度L。具体通过以下步骤实现：

步骤(A)，根据实测，确定泄洪隧洞弯道内水流最大爬坡角：

具体地，根据试验观察，常规城门洞型泄洪洞体型下其转弯段凹岸水流在爬坡过程中，水流整体的运动趋势是以第一波峰为分界线，呈现出上游流向向上，下游流向朝下，最高点处流向水平的特点。爬坡角β为水流流向与水平方向的夹角。

常规城门洞型泄洪洞体型各工况凹岸水深分布情况如表2所示，以相邻两测点间的水深平均变化率，Δh/Δl(即水深差比上间距)作为该点爬坡角的正切值tanβ；水深平均变化率越大，即tanβ越大，则该点爬坡角越大。由于弯道进口流向水平，因此tanβ＝0。

表2各工况弯段凹岸水深分布情况表

注：表中h为量测水深数据；tanβ为测点水深平均变化率。

根据各点的tanβ值绘制转弯段凹岸爬坡角示意图，如图10所示，从图中可以看出各工况下最大tanβ值，即最大爬坡角出现在测点5(桩号0+009.26)；该位置前爬坡角沿程增大，越过该位置后爬坡角逐渐减小。

参照以下Reinauer and Hager公式计算得到各工况下的第一波峰位置，见表1所示：

式中：θ_M为第一波峰出现位置，以圆心角度表示；F₀为弯道进口弗氏数；ρ_a为相对曲率半径＝洞宽/转弯半径。

由此可见，在工况q＝0.155(m²·s^-1)、q＝0.160(m²·s^-1)及q＝0.219(m²·s^-1)时，第一波峰均未达到顶拱情况下，该位置也接近为其形成第一波峰距离的1/2；同时，该位置也是弯道凹岸5cm和10cm高处侧壁压强最大值点。

步骤(B)，以水流最大爬坡角位置处为中心，两侧反对称排列布置若干级舌压板，舌压板两侧固定于泄洪隧洞两侧壁面上。以避免爬坡水体在与舌压板接触时交角过大而产生大的水花飞溅为原则，调整各级舌压板压角至合理幅度；以各级舌压板起到对水流最大的压制效果同时避免水体沿压板空隙形成回水甚至飞溅为原则，调整各级舌压板预留过水高度至合理高度。

具体地，各工况在桩号0+009.26处爬坡角最大，因此在该桩号前后布设舌压板时应使压板压角较小，以避免爬坡水体在与压板接触时交角过大而产生大的水花飞溅。以此作为体型修改原则，并通过在试验中不断调整舌压板参数，得到了最终的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构。如图7至图9所示，流态控制结构体型其整体布置上呈现出以桩号0+009.26为中心，两侧为反对称排列的形式。整个弯道内共布置了5块，且舌压板最末端桩号为0+009.79基本与工况(1、2、4)下第一波峰出现位置(0+009.81)重合，由于在第一波峰出现后，水流流向开始向下，因此舌压板只布置在水流沿凹岸爬坡时较难控制的上升阶段，以限制凹岸水体水位的壅高，保证足够的洞顶净空及余幅。

各级舌压板编号及参数布置如图8-9所示，具体布置如下：

(1)压角α：由于在各工况下桩号0+009.26为最大爬坡角出现位置，因此该桩号前后舌压板应布置较小的压角，通过在试验中不断调整，最终确定桩号0+009.26前后两块压板，即图8中2#和3#舌压板压角为5°，这两块舌压板主要应对主流的冲击且最大冲击角的考验，需要将水流控制在舌压板下并平顺导入下游。

之后向上游和下游的次一级舌压板，1#和4#舌压板压角为8°；1#舌压板其位置所处的水流爬坡角较小，因此角度相比2#舌压板和3#舌压板稍有增大，其身处上游主要将整股水流的表层水体阻挡并压制在压板下以减小下游各级舌压板的压力；4#舌压板对应于1#，其对水流的压制使水体沿压板底面翻越至凸岸实现一定程度上水流流量的横向迁移，同时起到平顺水流的作用。

最后5#舌压板压角为15°，由于弯道进口位置附近水体刚开始壅高，水位较低，布置压板其作用效果不明显，因此5#舌压板没有相对应上游的舌压板布置，当然也可以布置相应对称的舌压板，这个可根据实际情况调整。5#舌压板其控制范围内水流爬坡角最小，因此压角较大；其主要作用是引导水流的横向迁移和平稳水流。

(2)舌压板长度L：舌压板的长度决定了单块压板的作用范围，长度上应尽量避免舌压板长度过长，以防止单个压板长度范围内出现明满流交替现象或空化空蚀问题的发生；但是舌压板长度过短，压板的作用区间太短，其对水流压制效果也有限，另外压板长度短其数量就要增加，也就加大了工程成本。通过试验中不断调整最终确定舌压板沿水流方向的长度18cm，各级舌压板沿水流方向的长度一致。

值得说明的是：舌压板长度决定了单个舌压板的作用区间，工程中可根据实际情况调整，优选不超过4m，以免在单个压板作用范围内出现明满流交替现象或空化空蚀问题。各级舌压板长度尽量一致。舌压板宽度即为隧洞宽度。此外舌压板的设置数量根据实际弯道段长度和舌压板长度而进行合理设置。

(3)预留过水高度h：通过试验中的不断调整，为使舌压板起到对水流最大的压制效果同时避免水体沿舌压板空隙形成回水甚至飞溅，最终确定5#舌压板末端预留过水高度h为12.5cm，大致为弯道进口最大水深的2倍；其他各级舌压板h可递推得到。

(4)压板安装高度H：为保持压板结构的整体性，其各级舌压板安装高度一致为17cm。

同时，试验中观测到为保证舌压板整体的压制效果更好，整体布置上让各级舌压板首尾对接时，使其平面投影的凸岸重合，但是各级舌压板间仍有较大的空隙来保证水流与空气充分接触。

4、实验结果

4.1水流流态

常规城门洞型泄洪洞：试验观测了各工况下常规城门洞型泄洪洞转弯段及下游直段水流流态。各工况下水流进入弯道时，受离心力和边墙转弯的影响，紧贴凹岸的水体率先沿凹岸内壁爬高。之后沿泄洪洞宽度方向，水流在惯性作用下在进行一定距离的直线运动后依次到达凹岸内壁附近，冲击内壁沿内壁爬高。此时流量几乎全部集中在弯道凹岸，凸岸随来流量的大小出现不同程度的露底现象。

从凹岸观测到，沿凹岸内壁爬高的水体，从弯道进口至最高点(第一波峰)出现，其表层水体沿凹岸内壁流动方向与底板的夹角逐渐发展为先增加后减小，至最高点后流向水平；从凸岸观测到，其第一波峰为主流冲击凹岸水位不断壅高形成，且水流整体的运动趋势也是以最高点为分界线，最高点之前，水体水位壅高，流向向上；越过最高点后，水位开始下降，流向朝下。小流量情况下，水面线发展至最高点时仍未超出直墙顶。当来流量较大时，水体越过直墙顶部开始冲击顶拱，并沿顶拱运动一段距离后开始向下流动。

沿凹岸内壁开始向下运动的水体，受边墙转弯的限制，其横向上的流向发生改变，水体同时朝着凸岸流动，水流主体流量也开始由凹岸向着凸岸迁移，之后水流在与凸岸成一定角度到达凸岸。

此时水体已经离开弯道，开始在下游直段内运动。流向与直段右岸相交的水体冲击右岸边墙沿着内壁壅高，同时由于边墙的限制作用，水流流向发生反射，向下游成一定角度开始朝着另一边墙运动，就这样循环往复，水流在下游直段内形成左右往复的冲击波，水面起伏波动，波峰和波谷交替出现，当来流量较大时，水流波动较为剧烈，沿边墙内壁水位壅高较高，开始越过直墙顶冲击顶拱。

各工况下观测到常规城门洞型泄洪洞在急流冲击波的影响下，转弯段及下游直段水流流态都较为恶劣，自由水面起伏波动剧烈，洞顶净受到较大威胁，横断面上流量也分布极为不均。

间隙式舌压板：试验观测了各工况间隙式舌压板体型控制的泄洪洞转弯段及下游直段水流流态。各工况下观测到在各级舌压板的协调作用下，弯道段水体水位均控制在舌压板之下，且舌压板间隙未观测到回水或者水流飞溅现象，空隙持续通畅，水体与大气接触充分；冲击凹岸沿凹岸内壁壅高的水流在舌压板的压制作用下，部分水体沿着压板底面向凸岸做横向运动，一定程度上补充了凸岸的水流流量，凸岸露底范围也有所减小；从压板末端流出的水体，沿泄洪洞宽度方向水量分布均匀，其流向基本沿泄洪洞轴线方向，且水流整体呈乳白色状态，掺气较为充分；下游直段内水流流态平顺，水面起伏波动小，波峰波谷交替出现的现象几乎消失，基本消除急流冲击波的影响。

4.2沿程水深分布

在各工况下量测了弯道段和下游直段左右岸沿程水深，具体分布情况如图11所示，并对比了其分布情况。

常规城门洞型泄洪洞：q＝0.160(m²·s^-1)、q＝0.180(m²·s^-1)、q＝0.219(m²·s^-1)和q＝0.235(m²·s^-1)四种工况下，从图11可知常规城门洞型泄洪洞各工况下下游直段自由水面起伏波动较大，波峰和波谷成交替出现，随着水流向下游行进，波动开始沿程衰减，水面线最大起伏高度也开始降低；不同工况下波峰波谷出现的位置有一定的差异，存在相位差；当来流量较大时，水流波动较为剧烈，沿边墙内壁水位壅高较高，在q＝0.235(m²·s^-1)，桩号0+011.38时，边墙壅高高度达到0.31m，已经超过直墙顶部。

间隙式舌压板：q＝0.160(m²·s^-1)、q＝0.180(m²·s^-1)、q＝0.219(m²·s^-1)和q＝0.235(m²·s^-1)四种工况下，由图11可知，本实施例提供的流态控制结构，各工况在舌压板的压制作用下，其下游直段内的水流波动变得平缓，两岸最大水位差相比常规城门洞体型也小的多，横断面上流量分布变得均匀。将常规城门洞体型和间隙舌压板体型各工况下下游直段内最大水位差分别记为h₁、h₂，将(h₁-h₂)/h₁的值记为改善程度，计算值见下表3。从表中可以得出，间隙舌压板体型下各工况下游最大水位差相比原体型改善程度接近在85％左右，从某种程度上说明，下游直段水流波动达到平稳所需的调整距离相比原体型更短。

表3各工况下游直段最大水位差对比

4.3沿程压强分布

1)底板时均压强

试验量测了各工况下泄洪洞转弯段及下游直段的底板时均压强，具体分布情况如图12所示。

常规城门洞型泄洪洞：从图12可以看出，各工况下底板时均压强沿程变化起伏波动，但各工况总体变化规律趋于一致。在桩号0+009.54，q＝0.180(m²·s^-1)、q＝0.235(m²·s^-1)时底板均出现较小负压，由于该位置处于弯段中部，流量几乎集中在弯道凹岸，中轴线附近只有极薄的高流速水层，因此出现了不同程度负压，且随着进口弗氏数的增大，负压越大。各工况下在桩号0+010.48和0+011.38都出现了不同程度负压，这些位置正处于波峰(或波谷)出现的位置，两侧水深分布不均，且水流流速较大；在桩号0+010.88，底板压强有所增加，该位置正处于波峰、波谷交接位置，水深分布较为均匀。

间隙式舌压板：从图12可以看出，体型改良后，各工况下的沿程底板压强相比原体型均有所增加。弯道段由于舌压板对水流的压制和疏导作用，凹岸水体向凸岸迁移一定程度上补充了凸岸的水流流量，各工况下弯道段中心轴线附近不再出现负压，一定程度上避免了空化空蚀问题的发生；下游直段内，水流经过压板后水面变得更加平稳，其底板压强分布相比原型沿程变化波动较小，且相比原体型均有所整加。

2)侧壁压强

试验量测了各工况下的泄洪洞弯段凹岸5cm和10cm高处侧壁压强，具体分布情况如图13所示。

常规城门洞型泄洪洞：从图13可以看出，各工况下转弯段凹岸5cm高处侧壁压强分布规律基本一致，均呈现先增加后减小的趋势，由于水流具有较大惯性，沿泄洪洞宽度方向水流冲击凹岸内壁的位置横向上呈连续变化，造成侧壁压强逐渐增加，当主流冲击凹岸内壁时造成侧壁压强出现最大。之后由于边墙不断变化，水流流向改变，侧压也开始减小；各工况下最大压强出现在桩号0+009.13和0+009.26之间，该处的转弯角度在19.17°～25.29°，位于整个弯道的1/3～2/5之间(弯道转弯角度63.7°)；各工况下最大压强点附近的压强变化梯度较小，变化缓慢；q＝0.180(m²·s^-1)时，最大压强值0.23m，该工况的弗氏数也最大为6.44。

相比较5cm高处侧壁压强，各工况下10cm高处出现同样的侧壁压强分布规律，也呈现先增加后减小的趋势，且最大压强出现在桩0+009.26；各工况下10cm高处侧壁压强大小与来流单宽流量相关，当来流量较大时，各测点的侧壁压强值增大；q＝0.235(m²·s^-1)时，最大压强值0.158m。

间隙式舌压板：从图13可以看出，各工况下5cm高处侧壁压强在弯道前段受体型改变其压强值几乎没有变化，只在桩号0+009.54开始增大，最大值出现在桩号0+009.94；各工况下10cm高处侧壁压强在体型改变后沿程均有增加，由于舌压板对弯道凹岸的爬坡水流产生了一定的压制作用，一定程度上加大了水流与边壁凹岸的相互作用，因此压强有所增加。

实施例2

本实施例为工程实例，该实际工程其泄水方式采用表孔溢洪道和底孔泄洪洞联合泄洪。水库正常蓄水位为661.5m，大坝设计洪水重现期为50年，设计洪水位661.50m，校核洪水重现期为1000年，校核水位662.33m。泄洪隧洞布置于大坝左岸，进口底板高程611.50m，隧洞全长677.23m。闸室段桩号为放0+000.00～放0+030.00，内设检修平面钢闸门(宽×高-4×5.8m)及液压弧形钢闸门(宽×高-4×4.3m)；龙抬头段桩号为放0+030.00～放0+082.02，隧洞结构为城门洞型，宽3.7m，高6.29m；圆形隧洞段由原设计方案中的城门洞型因岩溶地质而改建整治，桩号为放0+110.23～放0+305.70，隧洞内径4.0m。顺直段为城门洞型隧洞，桩号为放0+305.70～放0+565.00，隧洞宽5.0m，高7.40m，坡降1/116。顺直段后衔接出口加长段，桩号为放0+565.00～放0+677.23，为城门洞型断面隧洞宽5.0m，高7.40m，坡降1/100。其中，桩号放0+565.00～放0+607.23为平面弯道段，转弯半径为24.5m，转弯角度为60°，底板高程575.64m。

泄洪隧洞原体型为常规城门洞型，沿程未设置水流控制措施。试验研究表明：转弯起始断面的水流速度17-21m/s，由此产生的弯道急流造成隧洞转弯段内水面横比降大，凸岸露底现象严重；下游直段内水流自由水面起伏波动剧烈，波峰波谷交替出现，总体形成较为恶劣的急流冲击波流态。

将本发明提供的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构及流态控制方法应用于该实际工程中，具体设置如下：

步骤(A)，根据实测确定泄洪隧洞弯道内水流最大爬坡角：以入弯前直段中心轴线延长线与弯道凹岸交点位置(桩号放0+590.80)大致作为凹岸爬坡角最大值处。

步骤(B)，以水流最大爬坡角位置处为中心，两侧反对称排列布置若干级舌压板：以避免爬坡水体在与舌压板接触时交角过大而产生大的水花飞溅为原则，调整各级舌压板压角至合理幅度；以各级舌压板起到对水流最大的压制效果同时避免水体沿压板空隙形成回水甚至飞溅为原则，调整各级舌压板预留过水高度至合理高度：

具体地，如图14所示，各级舌压板编号及参数布置如下：

(1)压角α：凹岸爬坡角最大值位置附近的舌压板角度取为5°；之后向上游和下游次级舌压板角度取为8°；最后下游的最后一级舌压板角度取为15°。

(2)舌压板长度L：4.0m。

(3)预留过水高度h：凹岸爬坡角最大值位置附近的舌压板预留过水高度为3.1m；之后向上游和下游次级舌压板预留过水高度为2.9m；最后下游的最后一级舌压板角度预留过水高度为2.5m。

(4)压板安装高度H：3.5m。

试验表明：两种体型下整体流态对比如图15所示，从图15可以看出，原体型下转弯段凹岸水流受离心力影响，水体沿凹岸内壁壅高，凸岸出现露底现象；下游直段内水流起伏波动较大，波峰波谷交替出现，形成较为恶劣的急流冲击波流态。设置间隙舌压板后，转弯段水流均控制在压板作用范围内，凸岸露底范围显著减小；下游直段水流流动平顺，起伏波动较小。两种体型下弯道段和下游直线段平面流场等值线对比如图16所示，从图16可以看出，原体型受急流冲击波影响，弯道段水流流线朝着凹岸积聚；至弯道出口水流流向与泄洪洞轴线方向成一定角度，形成折冲水流，且水流速度横断面大小分布较为不均匀；间隙舌压板体型下，水流流线沿横断面充分伸展，下游直段内水流流线几乎均匀分布于整个泄洪洞宽度方向上，且流线方向也平行于泄洪洞轴线方向。

由此可知，采用本发明提供的技流态控制结构后，弯道段水流受舌压板的压制和引导作用，凹岸水体均控制在压板作用范围内，凸岸由于凹岸水流的横向迁移流量得到一定补充，露底范围消失；下游直段内水面上下起伏波动小，流量沿横断面分布均匀，水流总体流动平顺。

综上所述，本发明根据弯道水流的爬坡规律，因势利导的提出采用间隙压板的技术方案来控制弯道水流，并通过实验中体型改良的方式总结得出其各参数基本布置原则。在高弗劳德数弯道水流的泄洪消能问题上，与现有技术(水平光滑溢洪道和渠底超高溢洪道)相比，本发明提供的间隙式舌压板流态控制结构及流态控制方法较大程度优化了水流流态，使横断面流速、水深分布趋于均匀，而且较大程度的减小了溢洪道沿程流速；间隙式舌压板的设置使得在各转弯半径、坡度下沿程水流均未出现明显露底现象，底板时均压强沿程有所增加，弯段负压消除，下游直段压强变化波动变得平稳；侧壁压强增大幅度在30％以内，转弯段后衔接阶梯水流平稳，基本消除了环流冲击波的影响。以上直接或间接地大大缩减了消能设施规模，节约了工程投资，总体而言，本发明提供的流态控制结构及方法，简单易于实行，具有很强的实用性和很好的实际效果，值得在业内推广。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，其特征在于：包括设置于弯道内以水流最大爬坡角位置处为中心的若干级间隙式舌压板，舌压板两侧固定于泄洪隧洞两侧壁面上，位于水流最大爬坡角位置处附近的舌压板压角不大于10°，之后往最大爬坡角位置处两侧舌压板压角逐级增大，相邻两级舌压板压角增幅为3°～10°；所述爬坡角为水流流向与水平方向之间的夹角，所述舌压板压角为舌 压板与水平面之间的夹角；当水流最大爬坡角位置处附近只设置一块舌压板时，其设置于水流最大爬坡角位置处；当水流最大爬坡角位置处附近设置两块舌压板时，以水流最大爬坡角位置处为中心，两块舌压板布设于水流最大爬坡角位置处两侧；舌压板间的间隙和洞顶上方的临空面形成了良好的气流通道，以满足弯道内的水流在行进过程中，舌 压板作用空间范围内与洞顶上方气流通道之间有较为充足的气体交换，为舌 压板下的水气混合体释放或补充空气，改善弯道及下游流态或舌压板的运行条件。

2.根据权利要求1所述的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，其特征在于：位于水流最大爬坡角位置处附近的舌压板压角为5°～10°。

3.根据权利要求1所述的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，其特征在于：位于上游的第一级舌压板和位于下游的末级舌压板压角不超过15°。

4.根据权利要求1所述的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，其特征在于：所述舌压板沿水流方向的长度不超过4m。

5.根据权利要求1所述的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，其特征在于：位于下游的末级舌压板布置于第一波峰位置处，其末端预留过水高度为弯道进口最大水深的1.5～2.5倍。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，其特征在于：各级舌压板顶端安装高度一致，相邻两级舌压板首尾对接。

7.根据权利要求6所述的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，其特征在于：相邻两级舌压板首尾在凸岸平面投影重合。

8.一种适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制方法，其特征在于：该方法基于权利要求1-7任一所述的适用于泄洪隧洞急流弯道的流态控制结构，包括以下步骤：

步骤(A)，根据实测或经验公式，确定泄洪隧洞弯道内水流最大爬坡角；

步骤(B)，以水流最大爬坡角位置处为中心，在弯道内布置若干级间隙式舌压板，舌压板两侧固定于泄洪隧洞两侧壁面上，位于水流最大爬坡角位置处附近的舌压板压角不大于10°，之后往最大爬坡角位置处两侧舌压板压角逐级增大，相邻两级舌压板压角增幅为3°～10°。

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