（水力学及河流动力学专业论文）台阶式溢洪道水力特性的试验研究.pdf

主要符号表 t c p c p r f 。# e ， e 2 主要符号表 台阶式溢洪道台阶步高 台阶式溢洪道台阶步长 溢洪道坡度 切点以下溢洪道总长 溢洪道初始掺气点距w f e s 曲线堰切点距离 w e s 曲线堰堰项至切点的堰面距离 初始掺气点至w e s 曲线堰顶的堰面距离 临界水深 单宽流量 溢洪道测点水深 边界层理论计算水深 重力加速度 堰上水头 台阶式溢洪道宽度 消能率 掺气浓度 断面含水率 断面平均流速 最大势流流速 流速系数 沿程水头损失 坝高( 溢洪道堰顶至下游水平段距离) 溢洪道紊流边界层厚度 边界层位移厚度 时均压强 脉动压强强度 脉动压强系数 时均压强系数 水力半径 掺气发生点佛汝德数 1 1 断面总能量 2 2 断面总能量 v i i 。r。厶机，。b。口。c卢矿妒母z万 函 ，厅 摘要 台阶式溢洪道水力特性的试验研究 学科：水力学及河流动力学答辩日期：2 0 0 2 3 作者：曾东洋作者签名： 导师：张志昌高级工程师导师签名： 李建中教授导师签字： 摘要 台阶式溢洪道是结合r c c 技术提出的一种具有高消能率的溢洪道新形式。由于 台阶式溢洪道的特殊体型和显著的消能效率，目前已在中小型工程上大量采用，并开 始逐步运用于高水头水工建筑物。然而，目前台阶式溢洪道水力特性研究还处于起步 阶段，尚无详细的系统性成果。本文通过模型试验和理论分析相结合的方法研究了台 阶式溢洪道的水流流态、压强、水面线、流速、沿程水头损失、掺气和消能效果。这 些研究对于台阶式溢洪道的发展和应用具有重要的意义。 本文通过试验研究得出以下结论： 1 ：研究表明台阶式溢洪道的水流流态可以分为跌落流和滑行流两种流态。当来 流量较小，临界水深小于台阶步商时。溢洪道上出现跌落流流态；来流量增大，临界 水深大于台阶步高时为滑行流流态。 2 ：研究了台阶式溢洪道的时均压强和脉动压强特性。试验表明，台阶水平断面 时均压强从凹角向凸角先降低，然后逐渐增大。当坡度较小时，最小值出现在距凹角 约为( o 3 , - - 0 4 ) 倍步长处最大值出现在距凹角约为( o 7 加9 ) 倍步长处，凸角处压 强有所减小；当坡度较大时，最小值出现在距凹角约为0 5 倍步长处，最大值出现在 凸角附近，且凸角压强没有明显降低。时均压强沿程分布呈波浪式发展，即在台阶上 交替出现最大值和最小值。台阶铅宣断面凹角时均压强最大，约在0 5 倍步商开始出 现负压值，在( 0 5 1 ) 倍步高范围内形成负压区，凸角下缘出现最大时均压强负压值。 对脉动压强的研究结果表明，台阶内的脉动压强从凹角向凸角逐渐增大脉动压强强 度沿程亦里波浪式发展，即在相邻台阶上交替出现波峰和波谷。 3 ：研究了台阶式溢洪道的水面线和流速分布。提出了水面线的计算方法，研究 了流速系数的沿程变化规律并提出了流速系数计算公式。通过对水面线和流速分布的 研究，提出了台阶式溢洪道沿程水头损失的计算方法。 4 ：研究了台阶式溢洪道上的掺气规律。提出了台阶式溢洪道断面掺气的分区方 法，即底部掺气区、楔形清水区、水中气泡区( 悬移区) 、空中水滴区( 跃移区) 。提 出了台阶式溢洪道初始掺气点的计算方法，研究了断面掺气浓度分布、沿程掺气浓度 分布，计算了断面平均掺气浓度和含水率。 5 ；研究了台阶式溢洪道的消能效果。分析了台阶式溢洪道消能率的沿程变化规 律，提出了坝下消能量的计算方法。 关键词：台阶式溢洪道压强特性 水面线及流速 掺气特性消能特性 本研究得到了四川大学高速水力学国家重点实验室基金资助，课题号为9 9 1 l 。 a b s t r a e t e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h e h y d r a u l i c so fs t e p p e ds p i l l w a y s i t 一一 一 一 s p e c i a l t y ：h y d r o d y n a m i c sa n dr i v e rd y n a m i c s d e b a t ed a t e ：2 0 0 2 3 c a n d i d a t e ：z e n gd o n g y a n gs i g n a t u r e a d v i s o r s ：z h a n gz h i c h a n g l i j i a n 7 小o n g a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e s t e p p e ds p i l l w a yi so n eo f t h en e wk i n d so f t h es p i l l w a y sw i t hh i g hr a t eo f e n e r g yl o s s ， w h i c hi sb a s e do nr c ct e c h n i q u e s t e p p e ds p i l l w a y sh a v eb e c o m et h ep r e f e r r e ds p i l l w a y s i nm e d i u m - s i z ea n ds m a l l s i z ep r o j e c t si nr e c e n ty e a r sd u et oi t s s p e c i a ls h a p ea n d r e m a r k a b l er a t eo fe n e r g yl o s s ，w h i c ha l s oh a v eb e e ni n t r o d u c e di nt h eh i i g hw a t e rl e v e l w a t e rw o r k s h o w e v e r , t h er e s e a r c ho nh y d r a u l i c so fs t e p p e ds p i l l w a y si sj u s to nt h es t a r t p o i n ta n dt h em a t e r i a l so fs t e p p e ds p i l l w a y si si n s u f f i c i e n t b yt h em e t h o do fm o d e lt e s t s a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f l o wf o r m ，p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c ，w a t e r - s u r f a c ec u r v e ，v e l o c i t y ， a i re n t r a i n m e n ta n de n e r g yd i s s i p a t i o nh a v eb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r , t h e s ee f f o r t sh a v e g r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so f t h es t e p p e ds p i l l w a y s ， c o n c l u s i o n sc a nb ed r o w na sf o l l o w st h r o u g hm o d e lt e s t ： 1 t h e r ea l et w of l o wf o r m si nt h es t e p p e ds p i l l w a y s ，w h i c ha t es k i m m i n gf l o wa n dj e t f l o w j e tf l o wo c c u r sw h e nt h er u n o f fi ss m a l la n dt h ec r i t i c a lw a t e rd e e di sl o w e rt h a l lt h e h e i g h to f t h es t e p s ，o t h e r w i s es k i m m i n gf l o wo c c a r s 2 t h et i m e a v e r a g ea n dp u l s a n t p r e s s u r ec h a r a c t e d s t i ch a v eb e e ns t u d i e d n l e t i m e - a v e r a g ep r e s s u r ei nt h es t e p s u r f a c ef a l l sd o w na n dt h e ni n c r e a s e sf r o mt h en o o kt o t h es a l i e n t t h em i n i m u mp o i n ti si nt h ed i s t a n c eo f0 3 , - 0 4t i m ep a c ef r o mt h en o o kw h i l e t h em a x i m u mp o i m0 7 - 4 3 9t i m ep a c ea n dt h ep r e s s u r ef a t i sd o w nt os o m ee 虹m l ti nt h e s a l i e n tw h e nt h eg r a d ei ss m a l l n em i n i m u mp o i n ti si nt h ed i s t a n c eo f0 5t i m ep a c ef r o m t h en o o kw h i l et h em a x i m u mp o i n ti sa r o u n dt h es a l i e n tw h e nt h eg r a d ei sb i g t h e t i m e a v e r a g ep r e s s u r eo nt h ev e r t i c a ls e c t i o nr e a c h e st h em a x i m u mp o m ti nt h en o o k 、t h e n e g a t i v ep o i n ti nt h eh a l fs t e pa n dt h em a x i m u mn e g a t i v ep o i n ti i lm ee d g eo ft h es a l i e n t t h ea l o n g - r o a dd i s t r i b u t i n go f t h et i m e a v e r a g ep r e s s u r ei sw a v yt h a ti st h em i n i m u mp o i n t a n dt h em a x i m u m p o i n to c c u r sa l t e m a t e l yi nt h es t e p s i i 西安j e - 大学硕士学位论文 t h ep u l s a n tp r e s s u r ei n c r e a s e sf r o mt h en o o kt ot h es a l i e n ti r lt h es t e p sa n dt h e a l o n g r o a dd i s t r i b u t i n go f t b ep u l s a n tp r e s s u r ei sa l s ow a v y 3 1 m em e t h o do f t h ec a l c u l a t i o no f t h ew a t e r - s u r f a c ec u r v eh a sb e e ng i v e ni nt h ep a p e r a n da l s ot h e1 a wa n dt h ee q u a t i o no ft h ed i v e r s i f i c a t i o no f 也ev e l o c i t yi n d e xh a v eb e e n s t u d i e d 1 1 1 ec a l c u l a t i n gm e t h o do f t h ea l o n g - r o a dl o s so f t h ew a t e rl e v e lh a sb e e ng i v e n 4 1 h ed i v i s i o nm e t h o do ft h ea i re n t r a i n m e n th a sb e e na n n o u n c e dt h a ti sb o s o ma i r e n t r a i n m e n tz o n e 、c t m i f o r mp u r ew a t e rz o n e 、b u b b l ez o n ea n dd r i pz o n e n l ec a l c u l a t i n g m e t h o do fi n i t i a le n t r a i n m e n tp o i n ti nt h es t e p p e ds p i l l w a yh a sb e e na n n o u n c e d t h e a v e r a g ea i re n t r a i n m e n tt h i c k n e s sa n dw a t e rc o n t a i n i n gi n d e xh a v eb e e nc a l c u l a t e d t h e d i s t r i b u t i o no ft h es e c t i n a la i re n t r a i n m e n tt h i c k n e s sa n dt h ea l o n g r o a da i re n t r a i n m e n t t h i c k n e s sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d 5 t h e l a wo ft h ee n e r g yd i s s i p a t i o nr a t e sa l o n g r o a dd i v e r s i f i c a t i o nh a sb e e ns t u d i e d a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f t h ee n e r g yd i s s i p a t i o nr a t eu n d e rd a m sh a sb e e nd e c l a r e d k e y w o r d s ：s t e p p e ds p i l l w a y s p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i cw a t e r - s u r f a c ec b r v c v e l o e i t y a i re n t r a i n m e n t e n e r g yd i s s i p a t i o n t h ep r o j e c ti sa i d e db yt h ek e ys t a t el a b o r a t o r yo fh i g h v e l o c i t yh y d r o l i c so fs i c h u a n u n i v e r s i t y , t h ep r o j e c tn u m b e ri s9 9 1 1 i i i 前言 1 h 乓 刖雷 台阶式溢洪道是一种具有高消能率的溢洪道新形式，在国内外中小型 工程中已得到大量应用，并已开始应用于高水头水工建筑物上。然而，目 前尚未看到对台阶式溢洪道水力特性的系统研究和报道，因此，本文通过 模型试验和理论分析研究了台阶式溢洪道的水流流态、水面线、压强、流 速、掺气、沿程水头损失和消能效果。这些研究对于台阶式溢洪道的发展 具有重要的意义，对其在水利工程的低、中、高坝建设中应用具有重要的 实用价值。 在本文研究中，翻阅了大量的国内外文献，其中国外文献3 5 篇，国内 文献2 9 篇。通过对这些文献的阅读、理解，总结分析了台阶式溢洪道目前 在国内外的研究动态和最新成果，以及台阶式溢洪道的应用前景。 本文通过分析和研究，认为台阶式溢洪道是在光滑溢洪道的研究基础上 发展起来的，虽然其水流流态和消能机理十分复杂，但水力特性仍然遵循 能量守恒、动量定理和连续方程，符合明渠恒定非均匀流理论，水流掺气 后符合水气两相流理论：研究认为台阶式溢洪道是一种高消能率且很有发 展前途的消能工。现有资料表明，目前对台阶式溢洪道水力特性的研究大 部分都是针对具体工程进行的，在台阶式溢洪道的压强特性、水深沿程变 化、流速分布、沿程水头损失、掺气特性和消能特性等方面还没有系统的 研究资料，难以引申到其他实际工程。 本文通过理论分析和前人研究成果，根据重力相似准则，提出了实验模 型的设计方法。设计了两种坡度、三种台阶高度、六种来流情况的实验模 型。在实验中，流速用毕托管测量；水深用测针测量：掺气发生点用钢板 尺测量；掺气浓度用北京水利水电科学研究院水力学所研制的8 4 8 型掺气 浓度仪测量：时均压强用测压管测量；脉动压强用北京水利水电科学研究 院水力学所s g 一6 0 型水工模型试验数据采集仪和压差传感器测量，数据处 理采用s g 2 0 0 型系统软件。 本文在总结前人研究成果的基础上，通过大量的试验研究得出了跌落流 和滑行流的流态判别方法，提出了水面线的计算方法；研究了时均压强和 脉动压强在台阶内和沿程的分布规律：研究了流速沿程分布规律并提出了 流速系数的计算方法：首次提出了台阶式溢洪道断面掺气的分区方法，给 出了掺气初生点的计算公式以及掺气浓度和含水率的断面分布和沿程分 布；研究了台阶式溢洪道沿程水头损失和消能率的沿程变化规律；提出了 沿程水头损失的计算方法和坝下消能率的计算方法。这些研究成果为台阶 式溢洪道的发展和应用提供了依据，对工程实际运用具有重要的参考价值。 l绪论 1 绪论 1 1台阶式溢洪道的应用 随着碾压混凝土筑坝技术( r c c ( r o l lc o m p a c t e dc o n c r e t e ) ) 的不断提高， 以及人们对于大坝建设中投资成本最小化的需求，溢洪道传统体型的弊端 逐渐显露出来：传统溢洪道具有旌工难度大，消能效果不理想，工程造价 高，不利于机械化施工，工期长，稍有不慎就有可能发生空化空蚀而使工 程遭受破坏等弊端。因此，研究消能效果好，工程造价低，不易发生空化、 空蚀的溢洪道新形式是非常必要的，而台阶式溢洪道就是目前出现的较好 形式之一。 台阶式溢洪道作为一种消能工的最初出现可以追溯到2 5 0 0 年前，那 时古代的人们就已经将台阶式溢洪道应用到塘坝和跌水上；现存最早的台 阶式溢洪道工程是突尼斯建于公元1 0 0 年的凯作赖因坝l lj ；到本世纪6 0 年 代末，有的国家才开始将台阶式溢洪道技术运用到中小型水利工程中，其 台阶材料有混凝土的、浆砌石的、还有石笼的，比如英国的克里维朵格坝 采用的就是预制混凝土块：到8 0 年代，结合碾压混凝土技术的发展，台阶 式溢洪道开始得到了迅猛发展，美国的上静水坝是世界上第一个采用了碾 压混凝土修筑的台阶式溢洪道的大坝，土耳其的第一个碾压混凝土大坝在 溢洪方式上选用的也是台阶式溢洪道，南非国内已经建成的2 2 座碾压混凝 土大坝中，有2 0 座选用的都是台阶式溢洪道技术1 1 】【2 】。据不完全统计，目 前台阶式溢洪道技术已在中国，美国，俄罗斯，巴西，南非，英国，法国， 加拿大，挪威等国家已经建成的数十座大坝上得到了运用。台阶式溢洪道 在具体工程中的运用参见表1 1 所示。 目前，台阶式溢洪道技术已经成为各国中小型工程运用的首选方式。我 国水利工作者也对台阶式溢洪道的理论研究和工程运用做了大量的工作， 从理论和实践上进行了完善和补充：1 9 9 4 年成都科技大学的汝树勋等人通 过模型实验取得了与国外研究类似的结果 3 】【4 】 5 】；1 9 9 7 年南京水利科学研究 院通过模型实验获得了台阶式溢洪道的初始掺气点、均匀流出现点、均匀 流流速、水深以及下游消能率的估算公式和图表 7 1 ：2 0 0 0 年西安理工大学 张志昌、郑阿漫【3 j 对台阶式溢洪道与掺气分流墩联合运用的水力特性进行了 研究。 在工程应用研究方面，北京勘测设计研究院【8 】 9 1 对大朝山水电站溢流坝 高水头、大单宽流量下采用台阶式溢洪道和宽尾墩联合消能的可行性进行 了研究，并成功地运用于实际工程：水利水电科学研究院1 9 j 对广西白色水利 枢纽工程的研究也取得了很好的成果；长江科学酣6 】在对湖北的水布垭工程 岸边溢洪道设计中采用了台阶式溢洪道形式；长春水利电力高等专科学校 西安理工大学硕士学位论文 m 】对吉林省河龙碾压混凝土坝的溢流坝和六顶山水库岸边溢洪道采用台阶 式溢洪道技术进行了可行性研究。在具体工程上：1 9 9 4 年福建省在国内率 先修建的最高坝高为5 7 米的水东大坝1z 1 1 1 1 台阶式溢洪道经历了1 0 0 年一遇 的洪水考验，汛期溢洪道消能效果良好，下游水流平稳，溢洪道只有较小 破坏；湖南的江垭大坝 1 】【1 2 1 、六都寨【】和广东的稿树下水库【1 3 】1 1 4 】在泄洪方 式选择中都选用了台阶式溢洪道技术，并且都经受住了考验。所有这些都 说明：我国对于台阶式溢洪道这种技术的研究和应用都已经起步和发展， 并且在大单宽、高水头研究方面有所突破 9 1 。 表1 - 1 ：台阶式溢洪道应用实例 1 1 1 9 1 1 5 】 坝高 坡度 r 煞 步高 台阶 溢洪 建成 备注名称- m ) a ( m ) 类型 道宽 年月 j 度( m ) 中国 大朝山1 1 10 8 21 9 31 白色 1 3 01 5 6 3 水布垭 0 2 51 8 15 2 2 水东 5 70 6 59 00 91 9 9 4r c c 美国 水平 芒克斯威尔 4 80 7 89 30 6 i6 l1 9 8 6r c c 台阶 水平 下恰斯溪 2 00 71 9 8 7r c c 台阶 0 6水平 上静水坝9 l1 1 6o 6 i1 8 31 9 8 7r c c 0 _ 3 2 台阶 斯塔基索溪 2 0 o 71 9 8 8r c c 尼卡甲克阿斯匹 1 70 61 9 9 2r c c 尔 维多利亚修善 3 70 81 9 9 2r c c 金威尔逊镇 1 81 51 9 9 2r c c 湖德桑河 2 10 81 9 9 3r c c 1 9 9 7 大哈依内斯 2 70 8 r c c 布郎乌德村俱乐 水平 r c c 铺在土 坝下游坡面 部坝台阶 做过水保护 水平 r c c 铺在土 铃镇坝坝下游坡面 台阶 做过水保护 水平 r c c 铺在土 潘刹坝坝下游坡面 台阶 做过水保护 梯啥克 4 80 8o 。61 9 9 7r c c 1绪论 续表1 1 多瓦里家 o 6 加高 r c c 水平 r c c 铺在土 鹅湖坝 坝下游坡面 台阶 做过水保护 水平 r c c 铺在土 菲利普n 0 3 坝坝下游坡面 台阶 做过水保护 a j 威尔兹坝 水平 r c c 铺在土 3 60 61 9 9 7 坝下游坡面 台阶 做过水保护 水平 r c c 铺在土 东古河坝 2 8 1 5 60 9 坝下游坡面 台阶 做过水保护 水平 r c c 铺在土 沙那都溪1 0 级 1 72 5 1 4 5 o 6 1 9 9 7 坝下游坡面 台阶 做过水保护 斜台 阶 玑宝 4 97 86 1 ( 2 94 0 3 6 1 9 2 6 5 7 砌石1 9 5 5 溢洪道 新克罗当 5 35 4 3 0 51 9 0 6 台阶年损坏 1 5 2 卡路米特水道跌水1 9 9 l 5 个人工梯级 o 9 l 英国 预制 克里维朵格 7 20 5 82 8o 7 6 混凝 1 8 2 91 9 6 8 混凝土支墩 土板 坝 砌石溢洪道出慈 拉第波瓦0 4 61 9 3 9 台阶姑式出口 南非 第米斯特克拉 3 00 63 01 o 水平 1 9 51 9 8 6 r c c ( 重力拱 尔 台阶坝) 水平 r c c ( 重力拱 扎依雅克 4 70 6 21 5 6l 1 6 01 9 8 7 台阶坝) r c c ( 重力拱 克赖尔波尔特 5 0 0 61 9 8 9 坝) 斯皮特科普 1 5 o 71 9 8 9r c c r c c ( 重力拱 瓦柳丹斯 7 00 5 1 9 8 9 坝) 列格内斯瓦德 3 40 6 2 1 9 9 0r c c 3 西安理工大学硕士学位论文 续表1 1 格林梅瑞 3 2o 7 51 9 9 lr c c 拍赫多 1 70 51 9 9 2r c c 奎都悉子 2 80 71 9 9 7r c c 及特斯普诺特河 1 3 石笼 5 0 三个梯级 口 台阶 前苏联 混凝 土块，v c c 混凝土 第聂伯 6 5 6 00 ，4 0 5 1 4 2 1 9 7 6 水平 块系统 台阶 台阶 沙斯洛夫斯克 1 13 3 块系 1 2 1 9 7 8 v c c 混凝土 统 块系统 1 1 3 台阶1 2 1 9 7 8 v c c 混凝土 洛克霍斯基 1 1 53 3 块系 1 21 9 8 0 7 52 9 统 7 51 9 8 l 块系统 台阶 v c c 混凝土 特兰斯巴尔 9 4 4 0 2 0 块系 1 1 01 9 8 6 块系统 统 法国 内斯阿列维梯斯 3 60 7 56 6 o 6 4 01 9 8 7r c c 里昂2 6 o 6 1 9 9 lr c c 舒得卡加诺 3 60 7 51 9 9 lr c c 悦拉弱尔 1 607 51 9 9 3r c c 那当杰包巴德 3 60 7 51 9 9 4 r c c 摩洛哥 艾英阿尔科内马 2 60 6 1 9 8 7r c c 维搭特2 40 41 9 8 8r c c 卓姆依阿 5 7o 8 1 9 9 2r c c 埃米依尔克丰 3 9o 8 1 9 9 3r c c 沙赫拉5 5 0 8 1 9 9 3r c c 英吉尔3 60 8 1 9 9 5 r c c 西班牙 内斯提恰内斯 3 20 5 1 9 8 9r c c 马罗纳5 30 7 51 9 9 1r c c 实林卡古拉 3 1o 7 51 9 9 1r c c 纳普纳第卡扎拉 7 10 8 1 9 9 1r c c 宾林加多3 40 7 51 9 9 1r c c 阿马迪斯古洛斯 1 90 7 51 9 9 1r c c 卡巴拉尔i 1 6o 7 51 9 9 1r c c l 宾林佛洛内斯 2 80 7 51 9 9 2r c c 1 绪论 续表1 - 1 阿列阿兰 5 80 7 1 9 9 2 r c c 堪扎 4 90 7 51 9 9 3r c c 大瀑布溢洪道 1 50 6 71 9 9 6r c c 其他 康采普逊( 洪都 6 80 81 9 9 0r c c 拉斯) 纳考米( 洪都拉 5 40 81 9 9 5r c c 斯) 唐( 巴西) 5 0o 7 51 9 9 3r c c 卡雷巴斯( 巴西) 2 61 9 9 1r c c 加米雷拉( 巴西) 2 9 1 9 9 1r c c 蒙巴利( 中非) 3 3o 81 6o 86 01 9 9 0r c c 新维多利亚( 澳 5 2 03 2 1 9 9 1r c c 大利亚) 0 8 布尔东峡( 澳大 2 60 95 51 21 6 01 9 9 2r c c 利亚) 忠诚路( 澳大利 3 0o 81 21 9 9 5r c c 亚) 下莫郎洛b s 3 20 81 9 9 4r c c ( 澳大利亚) 卡第古龙( 澳大 4 307 5061 5 01 9 9 7r c c 利亚) 碾压堆石坝， 下游高5 0 m 辛哥( 巴西) 1 4 0l _ 311 9 9 2 范围内设 r c c 保护 康特拉姆巴斯 2 0o 81 9 9 8r c c ( 多米尼加) 多克尔( 埃里特 7 3o 84 7 511 9 9 9r c c 利亚) 扑多马亚( 委内 7 70 8 2 1 7o 6 2 0 0 】r c c 瑞拉) 池式竖井式上游 斯图亚德( 挪威) 54长4 0 21 9 9 3 台阶 排气系统 光滑 台阶， 潘郎( 缅甸) 1 2 04 7l o2 5 3 5 尾墙 设计 不衬砌 高 1 0 m 1 7 8 光滑 未衬砌水平拉格兰德2 ( 加 】3 41 7 3】6 1 4 9 1 l 1 2 2 拿大) 台阶 台阶1 1 级 2 2 5 西安理工大学硕士学位论文 续表1 1 里多佩哂( 巴西) 2 0o 81 9 9 7r c c 波第迪一沙特( 圭 3 7o 84o 61 9 9 4r c c 亚那) 光滑 池式 光滑断面梯 台阶， 正在 吉利( 印度) 2 1 1 93 7 31 i 5 0 5 8 8 0 9 5 级系统共4 个 深 施工 台阶 1 4 - 1 8 m 多赖迪姆( 新西 1 41 9 9 9r c c 一期围堰高 3 5 m ，用r c c 比尼哈龙坝( 阿 1 1 80 82 0 0 0 建成台阶后 尔及利亚) 成为坝体一 部分 施工坝体过 水，下游坝坡 特里可米尔( 墨 1 0 00 81 3 61 9 9 2 为台阶，最后 西哥) 用v c c 建成 溢洪道 与传统消能方式相比较而言，台阶式溢洪道有着突出的优点：施工过程 中便于进行机械化施工，缩短工期，从而可以大幅度降低工程费用；就水 力学的观点来看，流经大坝的水流由于台阶的作用，水流沿溢洪道顺台阶 跌落或者滑行而下，通过水流和台阶的碰撞或者水体之间的紊动和剪切， 将大量能量消散在溢洪道表面，从而大大减小了下游消能工的规模【1 6 1 。除 了将台阶式溢洪道应用到碾压混凝土大坝上以外，台阶式溢洪道还应用于 土石坝泄洪，即过流土坝上。从目前国内外台阶式溢洪道的运用效果来看， 在大坝上采用台阶技术对于大坝的消能、下游防冲等问题的解决具有很大 的意义和显著的作用。然而，工程实践同时也表明：在大流量和高水头情 况下，台阶式溢洪道的消能率会有所下降，同时还存在一定的空化现象， 台阶容易产生空蚀破坏等。这些问题都在极大程度上制约了台阶式溢洪道 的应用范围。从目前的运用范围来看，台阶式溢洪道还主要是运用在溢流 前缘宽阔、堰上水头较低、单宽流量较小的中小型工程上。 1 6 1 1 2 台阶式溢洪道的研究现状 作为一种新型的消能工，台阶式溢洪道的研究方兴未艾，各国都对它进 行了大量的研究，并且取得了一定成就。对于消能工，人们最关心的还是 它的消能率，以及坝面流态、掺气特性、压强特性等的分布规律以及它们 1绪论 对消能率的影响。下面就将近几十年来的研究成果综述如下 1 2 1 坝面流态的研究【1 】【3 】 当上游水头较小时，水流到达台阶段的一个重要特征是：水流在第一 级台阶上就会发生偏向( 该台阶起着导向器的作用) ，以射流的形式跌落到 下一级台阶。这种作用可以通过在切点上游设置更多的台阶或改变第一级 台阶的尺寸加以消除t 4 1 j 。 试验观察表明，通过台阶式溢洪道的水流大体上可以分为两种典型的流 态，即跌落流水舌( 或溢流水舌) ( 以下简称为跌落流) 和滑行流水舌( 或 分离流，滑雪式流动) ( 以下简称为滑行流) 【i 。在跌落流流态中，水流经 过台阶后像跌落射流一样冲击下一级台阶，在整个溢洪道上形成多级不连 续跌流，其流态特点是：水流沿台阶逐级跌落和后续发生完全或不完全水 跃。它通过射流在空中扩散，在台阶上产生扰动和形成水跃来消能，可以 按一系列跌水建筑物来进行设计【1 5 j 【ig j ；在滑行水流流态中，水流呈现明显 的分层，截留在台阶中的回流水体和台阶凸角共同形成一个虚拟底板，主 流在虚拟底板上滑行流动1 1 5 1 【1 ”，回流水体通过位于下滑水流和其下的循环 流体之间的紊动剪切应力来维持【20 】 2 ”。跌落流和滑行流流态如图1 1 所示 1 i5 。 皮拉斯等人( p e y r a s ) 研究跌落流流态特性后认为：跌落流流态可以分 为两种，即完全水跃型跌落流( 图1 1 a ) 和部分发展型跌落流( 也叫部分 跌落水舌) 【2 2 j ( 图1 - l b ) ：前者一般在小流量和水深较浅时出现；后者一般 在流量较大时出现。钱桑( c h a n s o nh ) 认为：完全发展的水跃型跌落流出 现于较小的流量，其临界值为1 1 】1 2 】： ( 钆6 ) 特= o 0 9 1 6 ( b a ) 1 2 7 6 ( 1 - 1 ) 式中墩为临界水深；a 和b 分别为台阶的步高和步长。 完全发展的水跃型跌落流流态出现于矗肋 2 7 。时出现滑行流。滑行流的流态特征是具有很大的摩阻损失和很强的 掺气过程。在高坝中，它具有比跌落流更大的消能作用。 从堰顶下泄的水流流经第一级台阶时，水流尚未掺气，自由水面平顺， 易于确定。水流的掺气和表面降落起始于哪一级台阶，则取决于流量的大 小。对于来流量较小，溢洪道水深较浅的滑行水流而言，水流会很快掺气， 以致水深迅速增加，水流夹带着气泡在台阶上漩滚，自由水面变得凹凸不 平，很难确定，水面在其平均位置上下波动。 滑行水流在不同的台阶坡度条件下其流态特征存在着不同的方面 2 1 】： 1 绪论 对于坡度较缓的台阶式溢洪道，相邻台阶边缘间的循环流体空腔是长 方形的，因而不能形成大的稳定循环漩涡。循环漩涡不能充满台阶边缘之 间的全部空腔，来自凸角产生的尾流与下一级台阶凸角产生的尾流相互干 扰( 贝克，1 9 9 0 年) 。与每个尾流相关的漩涡，其形成和消失受下一级台阶 的干扰，并且可能干扰相邻台阶漩涡的产生和消失。水流的深度部分决定 着尾流的竖向范围和涡流的干扰区。主要的水流阻力参数是相邻台阶问的 距离和水流的深度( 尚松，1 9 9 4 年) 。 对于陡坡较陡的台阶式溢洪道，在相邻台阶之间的空腔内可以形成稳 定的循环漩涡，该漩涡范围大，且是二维( 也有可能是三维) 的。能量消 散和水流阻力是维持这些大尺度漩涡循环所需能量的函数。这种流态称为 “循环空腔水流”流态( 尚松，1 9 9 4 年) 。 莫尔、伊斯特( 1 9 6 3 年) 、基斯特勒和坦( 1 9 6 7 年) 研究了各种高宽比 的矩形空腔内的水流。他们观察了高宽比a b 大于o 4 或0 5 的稳定循环水 流流态。比值为0 4 或0 5 时，对应的溢洪道坡度。= 2 6 66 。莫尔等人【2 l 】 的试验结果指出：当坡度。大于2 6 6 。时，台阶式溢洪道斜槽上就产生稳 定的回流。尚松( 1 9 9 4 年) 指出当坡度t 7 在2 7 。左右时，水流流态特征可 能会受到上一级台阶尾流的干扰( 如图1 1 ( d ) 所示) 。 1 2 2 溢洪道消能率的研究 s t e p h e n s o n l 2 副针对台阶尺寸、溢洪道坡度等对台阶式溢洪道消能率的影 响做了模型试验，指出：采用台阶消能时溢洪道坡度为1 ：1 l ：5 时的效果 最好，但是大坝体积将增大，增加工程投资。当坡度较陡，台阶上的水深 大约为临界水深的i 3 时，台阶上的消能效果将增加，可以看出通过增加台 阶尺寸来增加消能效果是可行的。 p e y r a s 等【2 6 】由试验结果得出了不同坡度条件下单位水头的能量损失和 坝趾处的水深随g 强的变化曲线( 式中：g 为重力加速度、日为上下游 水头差) ，给出了下游消力池的设计方法。 希腊的c h r i s t o d o u l o u 【27 】对台阶高宽比为1 ：o 7 的台阶式溢洪道进行了模 型试验，由无量纲分析表明，控制能量损失的最重要参数是台阶上的临界 水深h t 与台阶高度a 的比值h j a 和台阶数量。对于较小的h d a ，能量损 失较大，接近于l ，但是随着 砌的增大能量损失减小：当h d a 一定时， 能量损失随台阶数的增大而增大i l 】。 美国的r i c e j 对修建在一座坡度为1 ：3 的土坝上的台阶式溢洪道进行模 型试验。台阶尺寸为：a - - 0 6 1 m ，b = 1 5 2 4 m ，i = l ：2 5 。研究结果表明：在没 有采取任何曲线和过渡台阶情况下，堰顶到台阶的过渡水流非常平稳，台 阶消能作用非常明显，消能率为光滑溢洪道的2 3 倍，从而使得下游消力 池规模大大减小。在单宽流量达到q = 1 4 5 m 3 s m 时，消力池的长度只有原 西安理工大学硕士学位论文 来的7 0 。 土耳其的耶尔得兹 2 0 】口1 1 对前人的研究成果进行分析得出：当坡度小于 5 1 3 。时，能量的消散随台阶高度增加而增加；但是当坡度达到6 0 。时， 台阶高度对于消能率几乎没有什么影响。当台阶高度较小时，坡度变陡， 能量损失减小，但是对于较大的台阶高度，坡度对能量损失率的影响不显 著。 南非的p e g r a m 2 9 肄对两组坡度均为1 ：o 6 ，具有相同堰面曲线但是比 尺不同、台阶尺寸不同的台阶式溢洪道模型进行研究，结果表明：对于两 组模型比尺不同的模型，当台阶上的临界水深相同时，不论台阶高度是否 相同，都可以得到相同的下游跃后水深。由此可以发现：在台阶总高度一 定时，跃后水深只与l 临界水深有关，而与台阶高度无关。台阶消能效果随 流量的增大而降低，两组试验的能量耗散率分别从6 7 降到4 7 ( 单宽流 量g 从0 8m 3 s m 增加到3 8 m 3 s ，m ) 和6 0 降到5 4 ( 单宽流量g 从1 8 m 3 s m 增加到2 1 7m 3 s m ) ，低于r a j a r a t n a m 对m o n k s v i l l e 坝计算的相对能 量损失。 四川大学陈群【3 0 】等从试验中发现：台阶上的能量损失在很大程度上依赖 于溢洪道的长度，当溢洪道高度、台阶高度和流量一定时，虽然较陡的坡 面有较大的摩阻系数，单位长度坡面的消能率比缓坡高，但是较缓的坡度 在相同的高度范围内流程更长，在溢洪道总高差不变的情况下，缓坡消能 率比陡坡消能率。 蒋晓光口l j 通过将二滩台阶式过水围堰的模型试验与n e wm o n k s v i l l e 大 坝的模型试验结果对比发现：小的台阶高度适合于小的单宽流量，其消能 率较高；大的台阶高度适合于大的单宽流量，但是当单宽流量增大到一定 值时消能率有明显的下降趋势。 才军眉等人【3 2 】通过试验，分析了台阶式溢洪道消能特性、单宽流量与消 能率的关系，以及台阶面坡度对消能率的影响。指出：台阶式溢洪道的消 能率很高，甚至可以达到9 0 以上，但是消能率随单宽流量的增加而减小。 在消能率的计算上，可以通过对溢洪道上下游分别列能量方程，然后用 上下游的能量差和上游总能量的比值作为能量损失率，即： 7 7 = 竺1 0 0 = = ；l 二生1 0 0 ( 1 - 3 ) e 。巨 式中叮为消能率；e ，、易分别是上、下游的总能量；4 e 为能量损失。 r i c e l 3 3 】 蚓1 3 5 1 就是用本公式计算后得出台阶式溢洪道的消能率比光滑溢 洪道的消能率大2 3 倍的结论。蒋晓光和周辉等也通过这个方法来计算台 阶式溢洪道的消能率。 另外的一个方法是利用相对消能率的概念来计算台阶式溢洪道相对于 光滑溢洪道消能率。一般的是用两者坝趾处的动能差与光滑溢洪道下游的 1绪论 动能相比较，即： 刁= 半圳。 c 4 ， 式中k 、巧分别为光滑和台阶式溢洪道的坝趾流速。 p e g r a m 2 9 ：i 生3 2 式的基础提出了相对能量损失率( e d r ) 的概念。 h o u s t o n 3 6 1 和才眉君等0 2 1 就通过本公式来计算台阶式溢洪道的相对能量损 失。 除了上面的两个运用较为广泛的公式外，还有一些研究者根据台阶上水 流流态的不同而推导出计算某一特定流态条件下的消能率公式。 ( 一) 跌落流流态： c h a m a n i 和r a j a r t n a m 3 7 等用刁，表示单一台阶上的能量损失率，第一级 台阶上的能量损失为2 7j 陋+ j5 h k ) ，剩余能量为门一口，j 向+