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潜没式三角翼对闸后三元突扩水跃的影响：理论、模拟与工程实践

一、引言

1.1研究背景与意义

在水利工程领域，水跃现象作为一种常见且重要的水力现象，对工程的安全稳定运行起着关键作用。水跃是明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时，水面突然跃起的局部水力现象，常发生于水流从陡坡渠道流向缓坡渠道，或由闸、坝下泄的急流过渡到下游河渠中的缓流处。例如在大坝泄洪过程中，高速水流从坝顶下泄后，需要通过水跃来消除巨大的动能，防止水流对下游河道及相关设施造成冲刷破坏，确保大坝的安全。浙江广川工程咨询有限公司申请的“一种基于一维水动力模型的蓄水洞库水跃核验方法及系统”专利，便是关注水跃现象对水利工程结构安全的影响，通过基于一维水动力模型进行数据处理，有效评估水跃风险，为水利工程的安全管理提供科学依据。

闸后三元突扩水跃作为一种特殊的水跃形式，在多孔水闸和泵闸结合的水利枢纽中较为常见。其水流情况复杂，涉及到水流在三个方向上的变化以及突扩边界条件的影响，这使得对其研究具有一定的挑战性。目前，关于突扩式水跃跃后水深的理论研究尚不成熟与完善，对于闸后三元突扩水跃的其他特性，如流速分布、能量损失等方面的研究也有待进一步深入。

潜没式三角翼作为一种新型的导流设施，近年来逐渐受到关注。在输水渠道或隧洞出口的过渡段，当采用较大扩散角时，缓流在扩散段中扩散不充分，会出现断面能量分布不均、边界层分离、主流偏转以及形成大量回流区和漩涡等问题，影响渠道的正常运用和建筑物的安全。而潜没式三角翼利用自身的分流作用，使水流受到其两翼的干预控制，能够调整断面的能量分布，使渠段均匀过流，下游消力池内水跃稳定、消能充分。通过分析加装不同外型尺寸导流设施前后，扩散段的流场、水深、水面线等参数，可优化其外型尺寸，同时揭示其控制流动的机理，具有重要的理论意义和工程应用价值。

研究潜没式三角翼对闸后三元突扩水跃的影响，有助于深入了解复杂水流条件下的水跃特性，填补相关理论研究的空白。从工程应用角度来看，能够为水利枢纽的设计和运行提供科学依据，通过合理布置潜没式三角翼，可改善闸后水流流态，提高消能效率，减少水流对下游河道及建筑物的冲刷破坏，保障水利工程的安全稳定运行，降低工程维护成本，具有显著的经济效益和社会效益。

1.2国内外研究现状

在闸后三元突扩水跃的研究方面，众多学者开展了丰富的工作。傅铭焕、郭曙啸等学者关注突扩式消力池常见于多孔水闸和泵闸结合的水利枢纽中，水跃跃后水深计算这一关键问题。他们指出，由于突扩式水跃水流的复杂性，对其跃后水深的理论研究尚不成熟与完善。通过对前人常用研究方法所得的突扩式水跃跃后水深成果进行定量分析与比较，发现当边墙反力对应的压强水头等于跃前水深和跃后水深的平均值时，计算的跃后水深与实际更加相符，并通过建立绕流阻力新模型，给出了突扩式水跃绕流阻力系数的计算公式，提出了新的跃后水深计算方法。韩伟濛、郄志红等对闸后三元突扩水跃特性进行了初步研究，分析了相关特性。马广钢、于建忠等学者则对大扩散比闸下水流扩散特性的影响因素展开分析，为理解闸后水流特性提供了更多视角。

关于潜没式三角翼的研究，也取得了一定的成果。在输水渠道或隧洞出口的过渡段，因地形地质条件及过流宽度限制采用较大扩散角时，缓流扩散不充分会引发诸多问题。有研究提出在扩散渠段中放置潜没式三角翼，利用其分流作用干预控制水流，调整断面能量分布，使渠段均匀过流，下游消力池内水跃稳定、消能充分。通过分析加装不同外型尺寸导流设施前后扩散段的流场、水深、水面线等参数，来优化其外型尺寸，并揭示其控制流动的机理。还有研究探讨了潜没式三角翼在扩散段适宜的调控位置，通过分析三角翼在水槽中不同位置时特征断面动量分布不均匀度，确定其适宜位置及不均匀度调控指标。

然而，当前研究仍存在一些不足。在闸后三元突扩水跃的研究中，虽然对跃后水深等部分特性有所研究，但对于其复杂水流条件下的能量损失机理、流速分布的详细规律以及边界层特性等方面，尚未形成系统全面的认识。对于突扩式水跃在不同边界条件和流量组合下的水跃特性变化研究还不够深入，缺乏通用性强的理论模型和计算方法。在潜没式三角翼的研究中，虽然明确了其对水流的调控作用及部分机理，但对于三角翼的结构参数与水流条件之间的定量关系研究还不够精确，不同工况下三角翼的最优布置方式和参数选择缺乏统一的标准。而且，将潜没式三角翼应用于闸后三元突扩水跃的研究还相对较少，二者相互作用的机制和效果有待进一步深入探索，缺乏对潜没式三角翼改善闸后三元突扩水跃流态和消能效果的系统研究。

1.3研究内容与方法

本研究旨在深入探讨潜没式三角翼对闸后三元突扩水跃的影响，具体研究内容涵盖以下几个关键方面：

闸后三元突扩水跃的特性研究：全面分析闸后三元突扩水跃的水流特性，包括流速分布、压强分布、紊动能分布以及水跃长度和跃