一种优化渡槽扩散段水力流态的方法与流程

本发明属于水利工程渡槽技术领域，具体涉及一种优化渡槽扩散段出水流态的方法。

背景技术：

渡槽亦称为高架水渠，是跨越道路、河流、山谷等地的架空输水建筑物，在农田水利灌溉设施系统中发挥着重要作用，还可实现排洪、排沙、通航以及导流等功能。但是，在渡槽的设计建设过程中，因受规划、衔接建筑物等客观因素影响，有时需要采用平面扩散形式的结构体型，容易导致水流经过时产生偏流、旋涡等不良流态，致使通过扩散段后的水流流速分布不均，极易造成水流水力损失增大，甚至引起渡槽底部局部淤积而影响其正常运行，进而将给渡槽的日常护理和检修工作带来不利影响。

中国专利申请号cn201710101251.2，改善弧形排水箱涵出水流态的整流装置，该发明公开了一种改善弧形排水箱涵出水流态的整流装置，属于市政排水技术领域。该整流装置设置于弧形排水箱涵内，弧形排水箱涵进、出口段为直线段，中间段为圆弧段；在弧形排水箱涵的末端布置有导流墩，在导流墩上贯穿有第一横梁，第一横梁的两端与箱涵两侧壁面垂直相交，在弧形排水箱涵的出口直线段末端设有第二横梁。该发明仅解决了弧形排水箱涵出流所存在的偏流问题，对于出水流态，如水流的流速并未实现优化。

中国专利申请号cn201610712975.6，一种输水系统组合式出水口结构及其施工方法，该发明的输水系统具有两个顺水流方向布置的混凝土导航墙，所述混凝土导航墙包括导航墙底板和梯形空腔导航墙，所述导航墙底板内设有输水廊道，垂直于水流方向设置与输水廊道连通的格栅消能出水箱体，所述格栅消能出水箱体的顶部开设两组等距的格栅式出水口，一组格栅式出水口设在两个混凝土导航墙的中间，另一组格栅式出水口设在河床侧；近河床侧的梯形空腔导航墙的立墙上开有城门洞形出水孔并设置立柱式分流墩。该发明解决高水头船闸输水系统出水口位置布局、型式选择、空间利用、出水流态、停泊条件等技术问题，对于水流流动过程中的偏流、旋涡等不良流态的解决并不显著。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种优化渡槽扩散段出水流态的方法，对渡槽内水流的流态进行全面优化，首先将流经扩散段的水流进行整流、流速均化，以减少水流经过时产生偏流、旋涡等不良流态，随后将通过扩散段后的水流流速均化，减少渡槽底部局部淤积，确保渡槽的正常运行。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种优化渡槽扩散段水力流态的方法，该方法包括以下步骤：

(1)在渡槽扩散段内设置孔型弯底坎对入水口水流进行整流，使水流得到初步扩散；

(2)在所述渡槽扩散段内设置齿形横梁对所述步骤(1)初步扩散后的水流再次调整以均化其立面上的水流流速分布；

(3)在所述渡槽扩散段内设置孔型直底坎进一步对所述步骤(2)流速分布均化后的水流进行调整改善水流的平面流速分布，实现所述渡槽扩散段出水流态的优化改善。

在所述渡槽扩散段内设置所述孔型弯底坎、齿形横梁以及孔型直底坎以构成组合整流方案，逐步对水流的流速、流向进行调整，避免水流产生偏流、旋涡等不良流态，使得流出所述渡槽扩散段的水流流速分布均匀，从而减少水力损失，保证渡槽的正常运行。所述孔型弯底坎、齿形横梁以及孔型直底坎为钢筋混凝土结构，可在渡槽工程建设或改造现场进行浇筑成型，保障组合整流方案能够满足渡槽设计施工使用要求。

优选地，所述渡槽扩散段沿水流方向为扩散型、与水流方向垂直的截面为矩形，其中所述渡槽扩散段的入水口与上游窄渡槽相连，所述渡槽扩散段的出水口与下游宽渡槽相连，所述渡槽扩散段、窄渡槽、宽渡槽构成渡槽。

更优选地，所述渡槽扩散段的长度为w、扩散角为β，设计水深为h，入水口宽度为b；

所述孔型弯底坎包括沿渡槽中心线对称布置的两个第一底坎，所述孔型弯底坎的宽度b1＝(0.05～0.15)b、高度h1＝(0.15～0.3)h，所述孔型弯底坎的中心点o距离所述入水口的间距w1＝(0.15～0.25)w；所述孔型弯底坎的两端与所述渡槽扩散段的侧壁垂直，所述第一底坎上设有沿所述第一底坎的中心线对称布置的第一矩形孔。

两个所述第一底坎沿渡槽中心线呈对称布置以起到较好的改善效果，申请人经若干试验和数值模拟研究获得所述孔型弯底坎整流作用效果良好的取值范围，所述孔型弯底坎的宽度b1太小难以保证其结构强度、宽度b1太大会增加制作成本且其整流效果改善不显著；所述孔型弯底坎高度h1太小则其挑流效果不明显、高度h1太大会造成水流过流截面积减小且引起大尺度回流而加剧水力损失；所述孔型弯底坎两端分别与所述渡槽扩散段的侧壁垂直，可在保证结构尺寸尽可能小的情况下还能保持较好的整流效果；所述孔型弯底坎中心点o距离所述入水口的间距w1＝(0.15～0.25)w，距离太近会引起渡槽进流水力损失较大、距离过远则整流效果变差。

进一步优选地，所述第一矩形孔的截面长度l1＝(0.2～0.3)b、高度h2＝(0.6～0.7)h1，所述第一底坎上相邻的两个所述第一矩形孔之间的距离l2＝(0.3～0.4)b。

两个所述第一矩形孔之间的距离l2为两个所述第一矩形孔的中心线之间的距离；所述第一矩形孔的截面长度l1太大会削弱其立面上的整流效果、太小会造成水流通流不畅；所述矩形孔的高度h2太大不仅影响其结构强度，还会影响其整流效果，高度h2太小会造成通流不畅；所述第一底坎上相邻的两个所述第一矩形孔之间的距离l2太大或太小都不利于其整流效果的均匀性。

更优选地，所述齿形横梁垂直于所述渡槽中心线且所述齿形横梁的两端与所述渡槽扩散段的侧壁相接；所述齿形横梁的宽度b2＝(0.2～0.3)b、截面高度h4＝(0.1～0.2)h，所述齿形横梁距所述渡槽扩散段的底面的高度h3＝(0.2～0.3)h，所述齿形横梁的中心点p距离所述入水口的间距w2＝(0.4～0.5)w；所述齿形横梁的上、下表面沿所述渡槽中心线对称布置2n1个矩形凸起短梁，n1＝2t1且t1＝2～4。

所述齿形横梁距所述渡槽扩散段的底面的高度h3为所述齿形横梁的中心线距离所述渡槽扩散段的底面的高度；所述齿形横梁垂直于所述渡槽中心线且所述齿形横梁的两端与所述渡槽扩散段的侧壁相接，以保证整个过流截面上的水流受到扩散整流作用；所述齿形横梁的宽度b2太小难以保证其结构强度，宽度b2太大会增加制作成本且对整流效果改善不明显；所述齿形横梁距所述渡槽扩散段的底面的高度h3过低或过高均不利于水流流态的调整；所述齿形横梁的截面高度h4太小对整流效果不明显，高度h4太大会减小过流截面而增加额外的水力损失；所述齿形横梁的中心点p距离所述入水口的间距w2距离太近则会对所述孔型弯底坎挑流的整流作用效果不明显、距离太远会对渡槽出水流态优化作用不充分；所述齿形横梁的上、下表面沿所述渡槽中心线对称布置矩形凸起短梁，以增强对水流均化的作用效果，设置2n1个矩形凸起短梁，n1＝2t1且t1＝2～4，即所述凸起短梁数量太少其整流效果不显著、数量太多则会额外增加过多的水力损失。

进一步优选地，所述渡槽中心线与其相邻的所述凸起短梁之间的间距l3＝k1[w2tan(β/2)+b]且k1＝(0.1～0.15)；所述凸起短梁的高度h5＝(0.05～0.1)h、长度l4＝k2[w2tan(β/2)+b]且k2＝(0.06～0.1)，相邻两所述凸起短梁之间的间距l5＝2l4。

所述渡槽中心线与其相邻的所述凸起短梁之间的间距l3指的是所述渡槽中心线与其相邻的所述凸起短梁的中心线之间的距离；相邻两所述凸起短梁之间的间距l5为两所述凸起短梁中心线之间的距离；所述凸起短梁的高度h5太低其整流作用不显著、高度h5太高则引起的水力损失过大；所述凸起短梁的长度l4太小会造成其整流作用不显著、长度l4太大增加制作成本及造成过流截面减小；相邻两所述凸起短梁之间的间距l5＝2l4，保证结构尺寸的均匀分布性从而实现整流效果的均匀稳定性。

更优选地，所述孔型直底坎垂直于所述渡槽中心线且所述孔型直底坎的两端与所述渡槽扩散段的侧壁相接；所述孔型直底坎的宽度b3＝(0.05～0.15)b、高度h6＝(0.15～0.3)h，所述孔型直底坎的中心点q距离所述入水口的间距w3＝(0.6～0.8)w；所述孔型直底坎的左右两侧沿所述渡槽中心线对称布置n2个第二矩形孔，n2＝2t2且t2＝(2～4)。

所述孔型直底坎垂直于所述渡槽中心线且所述孔型直底坎的两端与所述渡槽扩散段的侧壁相接，以实现整个过流截面上水流受到均化整流作用，申请人经若干试验和数值模拟研究获得孔型直底坎整流作用效果良好的取值范围，所述孔型直底坎宽度b3太小难以保证其结构强度、宽度b3太大会增加制作成本且其整流效果改善不显著；所述孔型直底坎的高度h6太小则其挑流作用不显著、高度h6太大会造成过流截面变小而引起后方大尺度回流和水力损失增大；所述孔型直底坎的中心点q与所述入水口之间存在一定的间距，以保证对渡槽扩散段出流进一步起到改善作用，距离w3太近会对所述齿形横梁后方水流整流作用效果不明显、距离w3太远会对渡槽扩散段出口水流改善作用不充分；所述孔型直底坎的左右两侧沿所述渡槽中心线对称布置n2个第二矩形孔，n2＝2t2且t2＝(2～4)，所述第二矩形孔数量太少其整流效果不显著、数量太多则会额外增加过多的水力损失。

进一步优选地，所述渡槽中心线与其相邻的所述第二矩形孔之间的间距l6＝k3[w3tan(β/2)+b]且k3＝(0.08～0.15)，所述第二矩形孔的截面长度l7＝k4[w3tan(β/2)+b]且k4＝(0.1～0.2)、高度h7＝(0.6～0.7)h6，相邻两所述第二矩形孔之间的间距l8＝k5[w3tan(β/2)+b]且k5＝(0.1～0.2)。

所述渡槽中心线与其相邻的所述第二矩形孔之间的间距l6指的是所述渡槽中心线与其相邻的所述第二矩形孔的中心线之间的距离；相邻两所述第二矩形孔之间的间距l8为两所述第二矩形孔的中心线之间的距离；所述第二矩形孔结构尺寸太小容易阻力大而产生较大水力损失、结构尺寸太大难以保证结构的稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在渡槽扩散段内设置孔型弯底坎、齿形横梁以及孔型直底坎以构成组合整流方案，利用孔型弯底坎对渡槽扩散段进口入流进行整流，使水流得到初步扩散，齿形横梁再对水流进行调整，均化其立面上的流速分布，最后通过孔型直底坎进一步对水流调整改善其平面流速分布以优化渡槽扩散段的出水流态，有助于提高渡槽扩散段下游水流的均匀稳定性具有重要的工程应用价值；

2、本发明在渡槽扩散段内设置孔型弯底坎、齿形横梁以及孔型直底坎以构成组合整流方案，结构形式简单、容易施工制作，适于在具有扩散段结构的渡槽设计、改造工程中推广使用。

附图说明

图1为本发明实施例1～3所述的一种优化渡槽扩散段水力流态的方法中渡槽的平面结构示意图；

图2为本发明实施例1～3所述的一种优化渡槽扩散段水力流态的方法中孔型弯底坎的结构示意图；

图3为本发明实施例1～3所述的一种优化渡槽扩散段水力流态的方法中齿形横梁的截面结构示意图；

图4为本发明实施例1～3所述的一种优化渡槽扩散段水力流态的方法中孔型直底坎的结构示意图；

图5为本发明实施例1～3所述的一种优化渡槽扩散段水力流态的方法整流前后流速分布均匀性指数对比图；

图中：1、渡槽扩散段；101、侧壁；102、底面；2、窄渡槽；3、宽渡槽；4、孔型弯底坎；401、第一底坎；5、齿形横梁；6、孔型直底坎；7、第一矩形孔；8、凸起短梁；9、第二矩形孔；10、渡槽中心线；11、第一底坎中心线。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种优化渡槽扩散段水力流态的方法，该方法包括以下步骤：

(1)在渡槽扩散段1内设置孔型弯底坎4对入水口水流进行整流，使水流得到初步扩散；

(2)在渡槽扩散段1内设置齿形横梁5对所述步骤(1)初步扩散后的水流再次调整以均化其立面上的水流流速分布；

(3)在渡槽扩散段1内设置孔型直底坎6进一步对所述步骤(2)流速分布均化后的水流进行调整改善水流的平面流速分布，实现渡槽扩散段1出水流态的优化改善。

以下结合图1～图4进一步进行说明：渡槽扩散段1沿水流方向为扩散型、与水流方向垂直的截面为矩形，其中渡槽扩散段1的入水口与上游窄渡槽2相连，渡槽扩散段1的出水口与下游宽渡槽3相连，渡槽扩散段1、窄渡槽2、宽渡槽3构成渡槽。

渡槽扩散段1的长度w为10m、进口宽度b为2m、扩散角β为30°，设计水深h为2m；

孔型弯底坎4包括沿渡槽中心线10对称布置的两个第一底坎401；孔型弯底坎4的宽度b1＝0.05b＝0.1m、高度h1＝0.15h＝0.3m，孔型弯底坎4的中心点o距离入水口的间距w1＝0.15w＝1.5m；孔型弯底坎4的两端与渡槽扩散段1的侧壁101垂直，即孔型弯底坎4两端与渡槽扩散段1之间的夹角θ＝90°；第一底坎401上设有沿第一底坎中心线11对称布置的第一矩形孔7；第一矩形孔7的截面长度l1＝0.2b＝0.4m、高度h2＝0.6h1＝0.18m，第一底坎401上相邻的两个第一矩形孔7之间的距离l2＝0.4b＝0.8m；

齿形横梁5垂直于渡槽中心线10且齿形横梁5的两端与渡槽扩散段1的侧壁101相接；齿形横梁5的宽度b2＝0.2b＝0.4m、截面高度h4＝0.1h＝0.2m，齿形横梁5距渡槽扩散段1的底面102的高度h3＝0.2h＝0.4m，齿形横梁5的中心点p距离入水口的间距w2＝0.4w＝4.0m；齿形横梁5的上、下表面沿渡槽中心线10对称布置2n1个矩形凸起短梁8，n1＝2t1＝4且t1＝2；渡槽中心线10与其相邻的凸起短梁8之间的间距l3＝0.5m且k1＝0.15；凸起短梁8的高度h5＝0.05h＝0.1m、长度l4＝0.334m且k2＝0.1、宽度为b2，相邻两凸起短梁8之间的间距l5＝2l4＝0.668m；

孔型直底坎6垂直于渡槽中心线10且孔型直底坎6的两端与渡槽扩散段1的侧壁101相接；孔型直底坎6的宽度b3＝0.05b＝0.1m、高度h6＝0.15h＝0.3m，孔型直底坎6的中心点q距离入水口的间距w3＝0.6w＝6.0m；孔型直底坎6的左右两侧沿渡槽中心线10对称布置n2个第二矩形孔9，n2＝2t2＝4且t2＝2；渡槽中心线10与其相邻的第二矩形孔9之间的间距l6＝0.622m且k3＝0.15，第二矩形孔9的截面长度l7＝0.829m且k4＝0.2、高度h7＝0.6h6＝0.18m，相邻两述第二矩形孔9之间的间距l8＝0.829m且k5＝0.2。

孔型弯底坎4、齿形横梁5以及孔型直底坎6均为钢筋混凝土结构。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

孔型弯底坎4的宽度b1＝0.1b＝0.2m、高度h1＝0.2h＝0.4m，孔型弯底坎4的中心点o距离入水口的间距w1＝0.2w＝2m；孔型弯底坎4的两端与渡槽扩散段1的侧壁101垂直，即孔型弯底坎4两端与渡槽扩散段1之间的夹角θ＝90°；第一底坎401上设有沿第一底坎中心线11对称布置的第一矩形孔7；第一矩形孔7的截面长度l1＝0.25b＝0.5m、高度h2＝0.65h1＝0.26m，第一底坎401上相邻的两个第一矩形孔7之间的距离l2＝0.35b＝0.7m；

齿形横梁5垂直于渡槽中心线10且齿形横梁5的两端与渡槽扩散段1的侧壁101相接；齿形横梁5的宽度b2＝0.25b＝0.5m、截面高度h4＝0.15h＝0.3m，齿形横梁5距渡槽扩散段1的底面102的高度h3＝0.25h＝0.5m，齿形横梁5的中心点p距离入水口的间距w2＝0.45w＝4.5m；齿形横梁5的上、下表面沿渡槽中心线10对称布置2n1个矩形凸起短梁8，n1＝2t1＝6且t1＝3；渡槽中心线10与其相邻的凸起短梁8之间的间距l3＝0.385m且k1＝0.12；凸起短梁8的高度h5＝0.075h＝0.15m、长度l4＝0.256m且k2＝0.08、宽度为b2，相邻两凸起短梁8之间的间距l5＝2l4＝0.512m；

孔型直底坎6垂直于渡槽中心线10且孔型直底坎6的两端与渡槽扩散段1的侧壁101相接；孔型直底坎6的宽度b3＝0.1b＝0.2m、高度h6＝0.25h＝0.5m，孔型直底坎6的中心点q距离入水口的间距w3＝0.7w＝7.0m；孔型直底坎6的左右两侧沿渡槽中心线10对称布置n2个第二矩形孔9，n2＝2t2＝6且t2＝3；渡槽中心线10与其相邻的第二矩形孔9之间的间距l6＝0.388m且k3＝0.1，第二矩形孔9的截面长度l7＝0.58m且k4＝0.15、高度h7＝0.65h6＝0.325m，相邻两述第二矩形孔9之间的间距l8＝0.58m且k5＝0.15。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

孔型弯底坎4的宽度b1＝0.15b＝0.3m、高度h1＝0.3h＝0.6m，孔型弯底坎4的中心点o距离入水口的间距w1＝0.25w＝2.5m；孔型弯底坎4的两端与渡槽扩散段1的侧壁101垂直，即孔型弯底坎4两端与渡槽扩散段1之间的夹角θ＝90°；第一底坎401上设有沿第一底坎中心线11对称布置的第一矩形孔7；第一矩形孔7的截面长度l1＝0.3b＝0.6m、高度h2＝0.7h1＝0.42m，第一底坎401上相邻的两个第一矩形孔7之间的距离l2＝0.3b＝0.6m；

齿形横梁5垂直于渡槽中心线10且齿形横梁5的两端与渡槽扩散段1的侧壁101相接；齿形横梁5的宽度b2＝0.3b＝0.6m、截面高度h4＝0.2h＝0.4m，齿形横梁5距渡槽扩散段1的底面102的高度h3＝0.3h＝0.6m，齿形横梁5的中心点p距离入水口的间距w2＝0.2w＝5m；齿形横梁5的上、下表面沿渡槽中心线10对称布置2n1个矩形凸起短梁8，n1＝2t1＝8且t1＝4；渡槽中心线10与其相邻的凸起短梁8之间的间距l3＝0.307m且k1＝0.1；凸起短梁8的高度h5＝0.1h＝0.2m、长度l4＝0.184m且k2＝0.06、、宽度为b2，相邻两凸起短梁8之间的间距l5＝2l4＝0.368m；

孔型直底坎6垂直于渡槽中心线10且孔型直底坎6的两端与渡槽扩散段1的侧壁101相接；孔型直底坎6的宽度b3＝0.15b＝0.3m、高度h6＝0.3h＝0.6m，孔型直底坎6的中心点q距离入水口的间距w3＝0.8w＝8.0m；孔型直底坎6的左右两侧沿渡槽中心线10对称布置n2个第二矩形孔9，n2＝2t2＝8且t2＝4；渡槽中心线10与其相邻的第二矩形孔9之间的间距l6＝0.29m且k3＝0.08，第二矩形孔9的截面长度l7＝0.36m且k4＝0.1、高度h7＝0.7h6＝0.42m，相邻两述第二矩形孔9之间的间距l8＝0.36m且k5＝0.1。

试验例1

采用cfd数值计算方法，对比分析了采用本发明实施例1～实施例3的方法前后，从渡槽扩散段1的出水口中流出的水流流速分布均匀性情况。

流速分布均匀性指数k，其值越接近于1表明渡槽扩散段出口水流流速均匀性越好；流速分布均匀性指数k的计算公式如下：

式中，vi为渡槽扩散段1的出水口的截面上任一测点沿主流方向的水流的速度；va为渡槽扩散段1的出水口的截面上任一测点沿主流方向的水流的平均速度；n为测点的个数。

采用本发明实施例1～实施例3的方法前后，流速分布均匀性指数如图5所示；由图5可以看出，经本发明整流后的渡槽扩散段出口的流速分布均匀性指数显著提高，即是本发明所提出的组合整流方法能够显著优化渡槽扩散段的水力流态，有助于确保渡槽下游水流的均匀稳定性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。