（水力学及河流动力学专业论文）台阶式溢洪道强迫掺气水流水力特性的试验研究.pdf

摘要 厶 口阶式溢洪道强迫掺气水流 水力特性的试验研究 学科名称：水力学及河流动力学 作者姓名：骈迎春 导师姓名：张志昌教授 答辩日期：2 0 0 7 3 作者签名：群蛙季 导师签名：另垮缈 摘要 根据模型试验，研究了台阶式溢洪道强迫掺气水流的水力特性。主要有强迫掺气水流的水流 流态，台阶式溢洪道水面线的计算方法，压强分布规律，增设掺气挑坎后，台阶式溢洪道的掺气 机理和掺气浓度分布，以及台阶式溢洪道的消能率。 台阶式溢洪道与光滑溢洪道相比，由于其特殊的结构形状，使得水流流态和水流结构远较光 滑溢洪道复杂。尤其是台阶式溢洪道上的空化、空蚀问题，是工程界极为关注的问题。本文针对 这些问题，开展了台阶式溢洪道强迫掺气水流的研究。研究结果表明，在台阶式溢洪道上增设掺 气挑坎，改善了水流流态，掺气挑坎可适用于不同来流量情况f 水流的掺气要求，可以保证台阶 式溢洪道充分掺气，这样即减免了台阶式溢洪道的空蚀破坏，又使水流扰动较小，同时充分发挥 了台阶式溢洪道的消能作用。 文中对强迫掺气水流流态、水面线的计算方法、溢洪道上压强分布规律、空腔长度、掺气交 汇点位置、通气孔的通气量、台阶段掺气浓度的分布规律和消能率都进行了较深入的研究，得出 了水面线、空腔长度、掺气交汇点位置、通气孔的通气量和消能率的计算公式，阐述了台阶式溢 洪道台阶水平面、铅直面压强的分布规律和沿程分布规律，研究了不同挑坎高度下掺气浓度的断 面和沿程分布规律，为台阶式溢洪道的设计提供了依据。 关键词：台阶式溢洪道，掺气挑坎，压强，水深，掺气，消能 西安理工大学硕士学位论文 m o d e ls t u d yo nh y d r a u l i c so fa l r e n t r a i m e n t e df l o w o ns t e p p e ds p l l l a y s s u b j e c t ： d a t eo fd e f e n c e ：m a r c h ，2 0 0 7 a u t h o r ：p i a ny i n g c h u n a d v i s o r ：p r o f z h a n gz h i - c h a n g a u t h o r s i g n a t u r e ：3 ，哿 s - g 舱t u 陀：圳螂 a b s t r a c t b a s e do nm o d e le x p e r i m e n t ，h y d r a u l i c so fa i r - e n t r a i n m e n t e df l o wo ns t e p p e d s p i l l w a y s a r e s t u d i e d t h e ym a i n l yi n c l u d ef l o wf o r mo fa i r e n t r a i n m e n t e dw a t e r ，c o m p u t a t i o n a lm e t h o d so fs u r f a c e l i n eo ns t e p p e ds p i l l w a y s ，r u l e so fi n t e n s i t yo fp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，a n da l s oi n c l u d em e c h a n i s m so fa i r e n t r a i n m e n t ，c o n s i s t e n c yd i s t r i b u t i o no fa 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 n so ns t e p p e ds p i l l w a y s a f t e rt h ea e r a t o rw a ss e to nt h eb e g i n n i n go ft h es t e po l lt h es t e p p e ds p i l l w a y s c o m p a r e dw i t hs m o o t hs u r f a c es p i l l w a y , i n v i r t u eo fi t se s p e c i a ls t r u c t u r e ，f l o wf o r ma n d c o n f i g u r a t i o n so fs t e p p e ds p i l l w a y sa r em o r ec o m p l e x e s p e c i a l l y , t h ee n g i n e e r sp a yc l o s ea t t e n t i o nt o i s s u e so fh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o na n de r o s i o n t h i sp a p e rs t u d y st h eq u e s t i o n so fa i r - e n t r a i n m e n t e d f l o wo ns t e p p e ds p i l l w a y s t h er e s e a r c h e ss h o wt h a ta f t e rt h ea e r a t o rw a ss e to nt h eb e g i n n i n go ft h es t e p o nt h es t e p p e ds p i l l w a y sf l o wf o r ma r ei m p r o v e da n da e r a t o ri st h es a m ew i t ha i r - e n t r a i n m e n t e dd e m a n d u n d e rd i f f e r e n tf l u xa n ds t e p p e ds p i l l w a y sc a nf u l l ya e r a t e ，h y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o na n de r o s i o no n s t e p p e ds p i l l w a y sa r ed e r a t e da n ds t r e a mh a r a s s e sa r em i n i s h e da n da tt h es a m et i m es t e p p e ds p i l l w a y s e x e r tf u n c t i o n so f e n e r g yd i s s i p a t i o n s t h i sp a p e rd e e p l yr e s e a c h e sh y d r a u l i c sc h a r a c t e r i s t i c so fa i r - e n t r a i n m e n t e df l o w , c o m p u t a t i o n a l m e t h o d so fs u r f a c el i n e ，r u l e so fi n t e n s i t yo fp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，t h el e n g t ho fc a v i t y , c o n v e r g e n tp o i n t o fa i r - e n t r a i n m e n t e df l o w , r u l e so fc o n s i s t e n c yd i s t r i b u t i o no fa i re n t r a i r a n e n ta n de n e r g yd i s s i p a t i o n s a n dg a i n st h ef o r m u l ao fs u r f a c el i n e ，t h el e n g t ho fc a v i t y , c o n v e r g e n tp o i n to fa i r - e n t r a i n r a e n t e dw a t e r ， a e r a t ea m o u n to f b l o w h o l ea n de x p o u n d st h ei n t e n s i t yo f p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nh o r i z o n t a l ，v e r t i c a ls i d e a n da l o n gt h ew a ya n dw o r k so v e rc o n c e n t r a t i o n so fa i r e n t r a i n m e n t e dw a t e ro nd i f f e r e n th e i g h ta e r a t o r f a c ea n da l o n gt h ew a ya n dp r o v i d et h ew a r r a n t sf o rt h ed e s i g n so fs t e p p e ds p i l l w a y s k e yw o r d s ：s t e p p e ds p i l l w a y s ，a e r a t o r , p r e s s u r e ，d e p t h ，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 警 rk 办 符号表 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 溢洪道总长度 空腔长度 下游坝高 初始掺气点距坝顶高差 绝对粗糙度 水的比重 台阶式溢洪道上滑行水流的阻力系数 台阶凸角边缘的佛汝得数 台阶式溢洪道初始掺起点距w e s 曲线堰切点距离 w e s 曲线堰堰项距切点的堰面距离 台阶式溢洪道初始掺起点距w e s 曲线堰顶的堰面距离 临界水深 初始掺气点的水深 单宽流量 特征单宽流量 平均流速 正常水深 溢洪道测点水深或掺气挑坎的坎上水深 边界层理论计算水深 重力加速度 设计水头 堰上水头 台阶式溢洪道宽度 掺气浓度 最大势流流速 流速系数 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 口6仃三岛z乙七，q见k k缸g吼g瓯日口c矿艿磊p痧 西安理工大学硕士学位论文 掺气挑坎高度 能量损失的百分率 上下游的能量差 假定无能量损失时，台阶式溢洪道坝址处的总能量 台阶式溢洪道上游总能量 台阶式溢洪道坝址处的剩余能量 坎上总水头 光滑溢洪道坝址处的剩余能量 光滑溢洪道坝址处断面平均流速 台阶式溢洪道掺气水流等效为不掺气水流水深后的断面平均流速 吁丝昂墨易么e 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 型堡盎。1 年3 月巧日 学位论文使用授权声明 本人型丝羞在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 曼i 坚查导师签名：孬盥日1g 3n 2 5 丑 第1 章绪论 1 绪论 1 1 研究台阶式溢洪道的理论意义及现实意义 水利工程中为了消除高速水流的巨大能量，长期以来主要是利用光滑溢洪道或溢流坝 进行挑流消能，或在下游修建消力池进行水跃消能或利用下游水深进行面流消能。为了防 止溢流面空蚀破坏，对溢流面的局部不平整度做了严格的规定。特别是垂直水流方向的局 部不平整度，则要求更加严格。尽管如此，溢洪道和溢流坝遭到空蚀破坏的事例仍然不少。 近2 0 多年来，随着碾压混凝土筑坝新技术r c c ( r o l lc o m p a c t e dc o n c r e t e ) 的出现和应 用，以及人们对大坝的建设中投资成本最小化的需求，传统的光滑溢洪道或溢流坝的弊端 逐渐显露出来，从而对溢洪道和溢流坝的体型设计产生了很大的影响“3 。同时为了使水流 在溢流过程中不对建筑物本身以及周围的环境造成大的危害，溢洪道和溢流坝的消能一直 是水利工程界关心的课题。台阶式体型的溢洪道、溢流坝以其优于光滑溢洪道、溢流坝的 消能率从而减少坝下游的消能设施及其在工程施工方面能大大地简化施工程序，加快进度， 缩短工期而受到世界各国水利界的关注。 台阶式溢洪道在2 5 0 0 年以前就已经应用于塘坝和跌水上。建于公元1 0 0 年的突尼斯 赖因坝是现存最早的台阶式溢洪道“1 。2 0 世纪6 0 年代末，在中、小型溢洪道中开始应用 台阶式溢洪道，其台阶材料有混凝土的、浆砌石的，还有石笼的；7 0 年代，俄罗斯率先 建成了台阶式泻槽土坝溢洪道；8 0 年代，随着碾压混凝土技术的发展，继第一座碾压混 凝土台阶式溢洪道一美国的上静水坝之后，世界上已先后建成了台阶式溢洪道数十多座， 其不仅广泛的应用于重力坝，在较低的过水土坝上也应用较多叫。南非国内建成的2 2 座 碾压混凝土大坝中，有2 0 座都是采用的台阶式溢洪道技术，其中包括2 座世界上最先修 建的r c c 重力拱坝“。我国对台阶式溢洪道的研究始于9 0 年代。目前，世界上已经有几 十座中小型水库采用了台阶式消能设施，其最大坝高已超过9 1 m 。有数座正在设计和施工 的最大坝高已达l o o m 以上，中国的大朝山及百色工程都在l o o m 以上【3 】。 台阶式溢洪道显示出越来越多的优点：台阶式溢洪道由于能适应碾压混凝土分层通仓 碾压施工的筑坝技术，可在施工工序上省去光滑斜坡溢流面混凝土的二次立模浇筑，坝面 台阶能一次碾压成型，实现了真正意义上的全断面快速碾压筑坝，能大大简化施工工序、加 快进度和缩短工期：在材料上省去了内外部混凝土结合面的联系筋，将溢流面上常规的高 标号常态混凝土改为变态碾压混凝土，从而使得台阶式溢洪道在碾压混凝土坝上的运用具 有显著的经济效益。因此，台阶式溢洪道这一消能工得到了越来越多的关注和运用。 目前，台阶式溢洪道实际上已成为各国泄洪建筑物上选择的消能形式之一。我国水利 界的科技工作者也开展了许多试验研究和工程实践。1 9 9 4 年成都科技大学汝树勋等人通 过模型试验取得了与上静水坝试验相近的成果。试验范围内，台阶溢洪道可以消除光滑溢 流坝坝趾处动能的4 4 - 8 4 “1 。1 9 9 7 年南京水利科学研究院通过模型试验获得了台阶式泄 槽溢洪道上初始掺气点、均匀流发生点位置、均匀流的流速、水深以及消能率的估算经验 西安理工大学硕士学位论文 图表或表示式嘲。2 0 0 1 年西安理工大学水电学院张志昌、郑阿漫研究了台阶式泄槽溢洪道 和掺气分流墩联合应用的水力特性”。2 0 0 2 年张志吕、曾东洋等研究了单纯台阶式泄槽溢 洪道的水力特性，得出了台阶式溢洪道的压强分布规律，消能率、水面线的计算方法以及 掺气发生点的确定方法”。2 0 0 4 年，西安理工大学水电学院田嘉宁等研究了台阶式泄槽溢 洪道的消能问题，得出了坡度为1 9 。和3 0 。的消能率的计算方法，模型试验结果表明， 当斜坡角度为1 9 。时，台阶式溢洪道的总消能率最大可达9 5 左右，其中台阶段部分的消能 率占总消能率8 5 以上，显示出台阶式溢洪道具有很好的消能效果跚。四川大学的陈群嗍 首次采用三维k e 双方程紊流模型，引用水气两相流的v o f 模型，利用几何重建格式来 迭代生成自由水面，对复杂的几何边界采用非结构网格进行处理，对阶梯溢流坝面的紊动 流场进行了数值模拟，得出了流场速度、压力、紊动能和紊动耗散率等的分布规律。 在工程应用研究方面，北京勘测设计研究院已对大朝山水电站溢流坝( 坝高1 1 l m ) 在 高水头、大单宽流量下( q = 1 9 3 m 3 s m ) 采用台阶式泄槽( 坝坡1 ：0 7 ，台阶高1 m ) 和宽 尾墩联合消能的可行性进行了研究，并且己应用于工程实际。这是我国在高水头、大单宽 流量条件下应用台阶式泄槽溢洪道的一个重大突破“。我国长江科学院曾对湖北省的水布 垭工程岸边溢洪道( 水位差1 7 8 7 m ，最大单宽流量达1 8 1 m 3 s m ) 采用台阶式泄槽的可行 性进行了方案比较。泄槽的坡度约为1 ：3 9 ，台阶高5 2 2 m ，消能率可达6 6 。但试验发现 台阶背面尚有( 2 7 6 5 ) m 的负压，有待采取进一步的改善措施“。长春水利电力高等专科 学校杨敏等曾对吉林省河龙碾压混凝土坝( 最大坝高3 0 5 m ，最大单宽流量3 8 5 m 3 s m ) 的溢流坝及六顶山水库岸边溢洪道( 坝高9 1 5 m ，最大单宽流量3 m 3 s m ) 采用台阶式泄槽 溢洪道的可行性进行了研究n “。 在工程实际方面我国已有成功的实例0 3 。t 9 9 4 年福建省率先在国内建成了水东水电站 大坝，坝高5 7 m ，它与宽尾墩联合应用。5 月遇到一场1 0 0 年一遇的大洪水，单宽流量达 9 0 m 3 s m ，经现场观察，泄洪期间台阶式溢洪道的消能效果良好，消力池下游河道里的 水流平稳，台阶式溢洪道仅遭微小破坏。湖南省的江垭r c c 大坝、湖南省六都寨的寨志水 库大坝和广东稿树下水库大坝都采用了台阶式溢洪道技术，并取得了良好的效果。 以上研究和应用说明，我国对台阶式溢洪道的研究和应用已取得了可喜的发展，并且 在大单宽流量和高水头方面有了较大的突破。台阶式溢洪道运用上的突破源自中国首创的 堰顶收缩式消能工宽尾墩的出现。由于台阶式溢洪道与宽尾墩的联合运用，使台阶式 溢洪道摆脱了只能用于低水头、小单宽流量的限制，在解决高水头、大单宽流量的消能问 题中取得了成功o ”。自安康水电站采用宽尾墩、消力池联合消能以来，国内先后又有岩滩、 五强溪、水东、桃林口等一批大中型工程，成功地采用宽尾墩联合消能工这一先进技术， 取得了巨大的经济效益。大朝山水电站结合r c c 施工，采用宽尾墩、台阶式溢流坝面，实 现了真正意义上的全断面快速碾压筑坝，体现了坝工设计和宽尾墩消能技术的新进展。表 卜1 ，1 - 2 列出了国内外应用台阶式溢洪道的实例。 2 第1 章绪论 表卜1 台阶式溢洪道典型实例 坡度坝高最大单台阶 台阶台阶 名称 a h 一 宽流量 高度备注 ( 度)( m )( m 2 s )h ( m ) 级数类型 混凝土坝 克里韦多格 6 07 22 8o 7 6预制混凝土梁 支墩坝溢洪道用制梁 ( 英国，1 9 6 8 ) 做成，w = 1 8 2 9 m 德米斯特克拉尔 5 9 3 03 0 l1 9 水平台阶 碾压混凝土坝 ( 南非，1 9 8 6 ) w = 1 9 5 m 扎埃霍克 5 8 24 51 5 6 l4 0 水平台阶 碾压混凝土坝 ( 南非，1 9 8 6 ) w = 1 6 0 m 蒙克斯维尔 5 23 6 69 3o 6 1水平台阶 碾压混凝土坝 ( 美国，1 9 8 7 ) w = 6 1 m 奥利维特斯 5 3 13 66 6o 64 7水平台阶 碾压混凝土坝 ( 法国，1 9 8 7 ) w = 4 0 m 上静水 碾压混凝土坝 ( 美国，1 9 8 7 ) 7 2 和 6 11 1 60 6 1 水平台阶 5 9w = 1 8 3 m 姆巴利碾压混凝土坝 ( 中非，1 9 9 0 ) 5 1 32 4 52 4 5o 8 水平台阶 w = 6 0 m 彼提特蒙特 ( 圭亚那，1 9 9 4 ) 5 1 33 74o 63 6水平台阶碾压混凝土坝 土坝 第聂伯 混凝土块系统原型试验， ( 前苏联，1 9 7 6 ) 8 7 56 0 0 4 0 51 2 水平台阶v = 2 3 m s ，w = 1 4 2 m 索斯诺夫斯基 阶梯式块体系 ( 前苏联，1 9 7 8 ) 1 13 3 w = 1 2 m 统 鲁克霍维茨基坝 三座坝， ( 前苏联，1 9 7 8 ， 1 13 阶梯式块体系 肛1 2 m 1 9 8 0 ，1 1 53 3统 w = 1 2 m 1 9 8 1 )7 52 9w = 7 5 m 特兰斯白卡尔 1 49 42 0 阶梯式块体系库容= 1 5 1 0 m 3 ( 前苏联，1 9 8 6 ) 统 w = l l o u 石笼坝 里茨帕路特出水口 1 32 4 石笼台阶三道堰跌水w = 5 0 u ( 南非) 砌石坝 吉尔波 倾斜台阶 ( 美国，1 9 2 6 ) 4 97 86 18w = 4 0 3 6 m 0 = 2 9 5 7 。 新科罗托因 5 35 4砌石台阶 1 9 5 5 年溢洪道失事， ( 美国，1 9 0 6 ) w = 3 0 5 m 西安理工大学硕士学位论文 跌水 1 5 2 卡路梅特水道 和 3 ，4跌水五级人工跌水 ( 美国，1 9 0 6 )0 9 l 溢洪道进水口 拉第波尔图利普喇叭形，溢洪 ( 英国，1 9 3 9 ) o 4 61 6 砌石台阶 道进水口 泄洪隧道 斯托约德1 m 培高的池形竖井上游排水系统， ( 挪威，1 9 9 3 ) 1 1 3o 1 2 4 2 2 台阶 l = 4 0 2 m 无衬砌岩石溢洪道 1 7 8 光滑轮廓台阶第一个台阶用混凝土 l池深= 8 5 m树砌，w = 1 2 2 m 拉格朗德二级电站 3 01 3 41 6 1 4 ( 加拿大) 9 1 1 l 无衬砌水平台第二个到最后台阶未 1 2 1 阶衬砌 光滑池形台阶 光滑轮廓跌水系统，特里 1 52 1 1 91 1 +5 0 5 84 池深= 1 4 m ( 印度，设计资料)四级跌水，w = 8 0 9 6 m 1 8 m 庞伦 1 21 2 01 0 2 5 3 54 1 0 m 墙高的池 未衬砌的岩体 ( 缅甸，设计资料)形台阶 注： 为总泄量( 1 0 m 3 s ) 4 表卜2 国内外应用台阶式溢洪道的实例“”1 t a b 1 2e x a m p l e sf o rs t e p p e ds p i l l w a y s 建成 坝高 最大单宽流 台阶高 溢洪道名称坝型坡度 年月 ( m ) 量( m 3 s m )度( m ) 第米斯特克拉尔( 南非) 1 9 8 6 r c c 坝 3 03 0o 6 1 内斯阿列维梯斯( 法国) 1 9 8 7 r c c 坝 3 66 6o 7 5o 6 蒙巴利( 中非) 1 9 9 0 r c c 坝 3 31 60 80 8 布尔东峡( 澳大利亚) 1 9 9 2 r c c 坝 2 65 5o 9l2 多克尔( 埃里特利亚)r c c 坝7 34 7 5 o 8l 朴多马亚( 委内瑞拉) 2 0 0 1r c c 坝 7 7 2 1 7 0 8o 6 波第迪一沙特( 圭亚那)r c c 坝 3 740 8o 6 水东水电站( 中国) 1 9 9 4 r c c 重5 79 0o 6 5o 9 大朝山水电站( 中国) 2 0 0 1 r c c 重1 1 11 9 30 7 1 o 百色水电站( 中国)在建r c c 重 1 3 02 0 30 80 9 索风营水电站( 中国)在建r c c 重1 2 1 2 4 50 71 2 第i 章绪论 台阶的消能作用也被应用于其他场合。例如明流泄洪隧洞中台阶的消能，台阶布置也 被用于水处理厂中；在沿河和溪流中，阶梯式布置和跌水用来给低溶氧的水充氧。台阶式 溢洪道能建造在各种地形上。 从国内外台阶式溢洪道的应用情况来看，在大坝上采用台阶式溢洪道对大坝的消能、 下游防冲有显著的作用，台阶式溢洪道有很大的研究潜力。但是，工程实践同时表明：在 大单宽流量和高水头的情况下，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，这就制约了台阶式溢洪道的应用。从目前的应用情况来看，台阶式溢洪道还主要 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 2 国内外台阶式溢洪道水力特性的研究现状 对于台阶式溢洪道的研究，主要还是集中在它的消能率，以及台阶上水流的流态、掺 气特性、压强特性和它们对台阶式溢洪道消能的影响。以下就国内外针对台阶式溢洪道的 这几个方面研究论述如下。 1 2 1 台阶式溢洪道坝面流态的研究 台阶式溢洪道的水流流态根据其相对临界水深钆4 ( 缸溢洪道l 笛界水深，口台阶高 度) ，以及泄槽倾斜角度口分成三类“”。即滑行水流( s k i m m i n gf l o w ) ，过渡水流 ( t r a n s i t i o nf l o w ) 和跌落水流( n a p p ef l o w ) ，见图卜l 所示。当水流流过台阶表面时， 各台阶内全部被水充填，没有空腔存在，并在各台阶隅角和主流之间形成一个横轴漩涡， 在靠近主流处漩涡旋转方向和主流流动方向一致，这种水流称为滑行水流( 见图卜1 ( a ) ) 。 跌落水流，水流经过台阶后像跌水一样冲击下一级台阶，在整个溢洪道上形成多级不连续 跌落，水流沿台阶逐级跌落并在台阶上发生完全或不完全水跃。在各台阶隅角与主流之间 总是有一个近似三角形空腔存在，空腔下为一近似梯形静水池，流股出现较大的弯曲，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，设计中可以按一系列跌水建 筑物来进行设计。处于滑行水流和跌落水流之间的水流流态是过渡水流，其特点是在一些 台阶内总是有类似跌落水流的三角形空腔，而在另一些台阶内总是有类似滑行水流的横轴 漩涡，并且这两种形态沿台阶向下游交替存在于台阶表面与主流之间( 见图卜l ( b ) ) 。 图1 - 1 台阶上水流流态 f i g l 一1f l o wf o r mo ns t e p s 5 西安理工大学硕士学位论文 在滑行水流形态中，水流呈凝聚流从台阶边缘掠过，在台阶外缘形成虚拟底板，虚 拟底板与台阶之间形成稳定的循环漩涡，这些漩涡与位于其上的下滑主流之间产生强 烈的紊动剪切作用，此时水流主要通过主流与台阶的碰撞、剪切、台阶内的水流漩滚及 台阶对水流的强烈沿程摩阻来消耗大量的能量。在溢洪道最初的台阶上，水流平滑并 没有空气掺入；而在最初几个未掺气的台阶以后，由于台阶上水流的剧烈紊动，促使 水流边界层快速发展，边界层到达水流表面时，水流开始掺气。强烈摩阻和大量掺气 是滑行水流的特征。图卜2 是滑行水流的几种典型的流态。 尾漉与下一十尾 流干扰 ( a ， ( ” 图卜2 滑行水流流态 f i g l - 2s k i m m i n gf l o w 滑行水流在不同台阶坡度条件下其流态特征表现为不同的方面： 耶而德兹和科斯通过试验认为“”：对于坡度较缓的台阶式溢洪道，循环漩涡不能充满 台阶边缘之间的全部空腔，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。来自凸角产生的尾流和下一级台阶凸角产生的尾流相互干扰( 贝克， 1 9 9 0 ) 。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。水流的深度决定着 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间的距离和水流的深 度；对于坡度较陡的台阶式溢洪道，在相邻台阶间的空腔内可以形成稳定的循环漩涡。该 漩涡范围大，且是二维的( 也可能是三维的) 。能量消散和水流阻力是维持这些大水头漩 涡循环所需能量的函数。这种流态称为“循环空腔水流”流态。 莫尔、伊斯特( 1 9 6 3 ) 、基斯特勒和坦因( 1 9 6 7 ) 研究了各种高宽比的矩形空腔内的 水流流态。他们观察了高宽比大于0 4 或0 5 ( 坡度为2 6 6 。) 的稳定水流流态，莫尔等人 的试验结果指出：当坡度大于2 6 矿时，台阶式溢洪道斜槽上就产生稳定的回流。钱桑 ( 1 9 9 4 ) 指出当坡度在2 7 。左右时，水流流态可能受到上一级台阶的干扰( 如图1 - 2 ( b ) 所示) 1 4 o 一般认为，只有当台阶高宽比大于0 5 ( 台阶式溢洪道的坡度为2 6 6 。) ，流 量大于公式( 1 1 ) 确定的临界值时台阶上才会产生稳定的滑行水流“”。 滑行水流形态的发生受流量、台阶尺寸和溢洪道坡度等因素的影响。c h a n s o n ，h ( 1 9 9 4 ) “”经过对e s s e r y 和h o r n e r 等人的试验数据的分析，得出跌落水流和滑行水流的临界值表 达为： 6 第1 章绪论 ( h k ) m ：1 0 5 7 一o 4 6 5 竺 ( 1 1 ) a b 式中，h 。为临界水深：口为台阶步高；6 为台阶步长。当h 。a ( 以) 始a 时出现滑行水 流流态。此式是在卅6 为0 2 1 2 5 的范围即坡度为1 1 。到5 2 。的范围内得到的。 1 9 9 6 年c h a n s o n ，h “8 1 通过对以前经验公式及数据的理论分析，得到了一个新的判别公 式： 生： 口 ( 1 2 ) 式中，吒是台阶边缘即凸角处的佛汝德数，吃= q g h 3 ；h b 为台阶边缘水深； 为水舌入射角。 2 0 0 1 年，c h a n s o n ，h “钟重新对试验数据进行了分析，得出从跌落水流过渡到滑行水 流的上限值为： 丝：o 8 9 0 4 兰( 1 3 ) a b 从滑行水流过渡到跌落水流的下限值为： 生：1 2 0 3 2 5 a ，( 1 4 ) 口 6 斯迪芬森。1 ( 1 9 9 1 年) 提出了以下判别式来确定滑行水流和跌落水流的流态界限： 当蔓 i 1 时，为跌落水流，且兰：伽口 = 4 时，为滑行水流；当 aj6 a 5 丝c ( i 1 ，刍时，水流处于过渡状态。 雅苏达和欧苏嘲( 1 9 9 9 年) 提供了两个方程式，用于确定跌落水流流态上限和滑行水 流形态的下限。公式如下： 生：l _ 旦 ( 1 5 ) a1 4 d 生= 0 8 6 2 ( a ) ( 1 6 ) 由c h a n s o n ，h 提出的公式( 1 3 ) 、( 1 4 ) 和雅苏达和欧苏提出的公式( 1 5 ) 、( 1 6 ) 可以看出，两种方法计算出来的临界值差异较大，这可能是由于试验条件不同造成的，所 以在应用时须注意应用条件。 7 西安理工大学硕士学位论文 当流量较小、坡度较缓时，一般为跌落水流。p e y r a s 等人。”将跌落水流分为图卜3 所示的两种水流形态：完全水跃的跌落水流和不完全水跃的跌落水流。完全水跃的跌落水 流在水舌落点处水深最小，即跃前水深h ，并在落点前形成比落点水深略高的水垫，其水 深为h 。( 甄 h ) ，在落点以后，形成完全水跃，跃后水深为j i 。水跃以后，由于下一 级台阶作用，水面逐渐降落，在台阶尾部又形成跌落水流。而部分水跃时，急流直接撞击 下一级台阶，并伴有剧烈的紊动。c h a n s o n “”提出了判别完全水跃的跌落水流和不完全水 跃的跌落水流的公式，即 h 。a = 0 0 9 l h a b ) 。1 “ ( 1 7 ) 当巩口小于上式确定的临界值时，将产生完全水跃的跌落水流。该公式的适用范围 为0 2 s a b s 6 。 ( a ) 具有完全水跃的跌落水流 ( b ) 部分水跃的跌落水流 ( a ) i s o l a t en a p p ef l o w( b ) p a r t i a ln a p p ef l o w 图1 - 3 跌落水流流态 f i g l 3n a p p ef l o w 在跌落水流形态中，水流的消能过程就是从一级台阶到下一级台阶的不断跌落，水流 在跌落过程中冲击每一级台阶，并随之产生水跃。水流经过与台阶的碰撞、空中破裂，在 台阶上形成的完全水跃或不完全水跃来逐级消能。与滑行水流相比，跌落水流台阶水平长 度相对较长，适用单宽流量较小、坡度较缓的溢洪道或河渠上。 s o r e n s e n m l 对新蒙克斯维里坝的模型试验研究发现当流速较低、水深较浅时，在台阶 段水流从第一阶梯向外向下发生偏折落在相隔几级的台阶上，即偏折现象。目前，为消除 这种偏折现象一般是把前几级台阶尺寸设置为由小到大的过渡段。 1 2 2 台阶式溢洪道坝面消能的研究 台阶式溢洪道的消能一直是水利工程界关注的焦点。众多学者发表了大量台阶式溢洪 道消能方面的论文。这是因为台阶式溢洪道有较高的消能效果：水流流经的每级台阶上均 产生剧烈的旋滚，促使水流表面破碎，加强了水体之间的紊动交换；同时由于台阶的累计 效果，使得台阶式溢洪道的消能效果比光滑溢洪道的消能效果更好。但也有的学者认为台 阶本身消能效果并非十分显著，但有益于掺气减免空蚀。 台阶溢洪道的显著特点是沿坝坡逐级掺气、减速、消能。许多试验研究表明，台阶溢 洪道的消能率比常规光滑溢洪道要高出4 0 8 0 ，因而使下游要求的消力池长度大大减 短。一些国家把台阶式溢流面作为首选的溢洪道或溢流坝方案。 8 第1 章绪论 1 9 8 2 年美国垦务局对上静水坝( 坝高6 1 m ) 的台阶式溢洪道( 台阶高0 6 1 m ) 首次进 行了模型试验。成果表明，它的消能率超过光滑坝面约7 5 ，从而台阶式溢洪道末尾要求 的消力池长度只有同等坝高光滑溢洪道所要求的5 0 ”。 1 9 8 5 年r m s o r e n s e n 对n e wm o n k s v i l l ed a m ( 坝高3 6 6 m ) 的模型试验成果进行了 分析，得出台阶式溢洪道出口流速为9 2 m s ，光滑溢洪道的出口流速为2 2 2 m s ，表明该 坝设计的台阶式溢洪道的消能率已达8 4 “”。 希腊的c h r i s t o d o u l o u ”由无量纲分析表明：控制能量损失的最重要的参数是台阶上 的临界水深以与台阶高度6 1 的比值巩口和台阶的数量。对于较小的钆口，能量损失 较大，接近于1 ，但随着巩a 的增大能量损失逐渐变小。当以a 值确定时，能量损失随 着台阶数的增多而增大。但他是在非高坝情况下进行的试验，有一定的局限性。 s t e p h e n s o n 。”对台阶尺寸和溢洪道坡度等对能量损失的影响做了模型试验。当台阶 溢洪道的坡度为1 ：1 0 1 ：5 时，能量损失最大，但增加了台阶式溢洪道的体积，增大了工 程投资；当坡度变陡时，台阶上的水深大约为临界水深的1 1 3 时，消能效果较好，由此可 知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 皿”由试验结果得出了坡度分别为1 ：1 、l ：2 、1 ：3 ，台阶高度为0 2 1 o m ，单 宽流量小于3 m 3 ，s m 条件下单位水头的能量损失和坝址处的水深随口2 ( g h 3 ) 的变化曲 线( h 为上下游水位差) ，得出消能率随溢洪道坡度和口2 ( g h 3 ) 的增大而减小；落点水 深随9 2 ( g h 3 ) 的增大而增大。 土耳其的耶尔德兹“耵【2 ”对前人的研究得知，当坡度小于5 1 3 。时，能量的消散随台阶 高度的增加而增加；但是当坡度增加到6 0 。时，台阶高度的增加对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；当台阶高度较大时，坡度的变化对能 量损失率影响不显著。 南非的p e g r a m 汹1 对两组堰面曲线相同，坡度相同，但台阶比尺、台阶尺寸不同的台 阶式溢洪道进行了模型试验研究，结果表明：对于两组比尺不同的模型，在临界水深相同 的情况下，不论台阶高度是否相同，都可以得到相同的下游跃后水深。由此可以看出，在 台阶高度一定时，跃后水深只与临界水深有关，与台阶高度无关。台阶消能效果随流量 的增大而降低。 我国在台阶式溢洪道消能方面的研究成果有： 蒋晓光o ”通过对二滩台阶式过水围堰的模型试验和n e wm o n k s v i l l e 大坝的模型试验 的结果比较发现：台阶式溢洪道的台阶高度较小时，适合于小的单宽流量，消能率较高； 台阶高度较大时，适合于大的单宽流量，但是当单宽流量增大到一定时消能率有明显的下 降趋势。 曾东洋”1 通过模型试验得出，影响台阶式溢洪道消能率的因素主要是台阶的总高度、 坡度和上游来流量。当口= 3 0 。6 0 。时，对于给定上游来流量，增加台阶步高，消能率 将有所增加，但增加不大。并提出了滑行水流消能率的计算公式，该公式与耶而德兹和科 9 西安理工大学硕士学位论文 斯的试验资料一致。并且得出，在溢洪道高度、台阶高度和流量一定时，缓坡消能率较陡 消能率的计算可以通过对溢洪道上下游列能量方程，然后以上下游的能量差比上游 ，7 ：等l 0 o ：华l 0 0 ( 1 8 ) 式中，7 为消能率，蜀、易分别为上下游的总能量，a e 为上下游的能量差。 另外一种计算方法是计算台阶式溢洪道相对于光滑溢洪道的效能率。一般是两者坝 址的动能差与光滑溢洪道下游的动能相比较，即： 露：v ；- v , 1 0 0 ( 1 9 ) 关于台阶式溢洪道不同流态的消能率的研究主要有以下成果： c h a m a n i 和r a j a r a t n a m 咖1 等人用表示台阶式溢洪道的总台阶数，仇表示单一台阶 上的能量损失百分数，堤| j 第一级台阶上的能量损失为r ；( z + 1 5 h i ) ，丽剩余的能量为 ( 1 一仉) ( z + 1 5 h k ) ，从而坝址处的剩余能量可表示为： 丝= ( 1 - 仉) “( z + 1 5 h i ) + z ( 1 - r f ) 7 ( 1 1 0 ) 对于宽顶堰，坝高z = n a ，则相对能量损失a f e 可表示为： 一a e 小竖坐! ：塾! ! ! ! 二薹坚! ! n e t n + 1 5 ( h k a ) 根据m o o r e m l 和h o r n e r m l 等人的研究，单一台阶上能量损失百分数与台阶尺寸及上 游来流量有关，7 随h 。b 的变化表示为下式： ，7 = m - n l o g ( h k a ) ( 1 1 2 ) 澳大利亚的c h a n s o n “订推导出台阶式溢洪道跌落水流消能率的计算公式如下： 等小堂 竺燮二 3 e z 2 h 在滑行水流中，台阶的作用相当于大的粗糙度，对水流产生一种强烈的摩阻作用，通 过台阶尖角与水流的摩擦、虚拟底板和台阶间的漩涡来消能。 1 0 第1 章绪论 r a j a r a t n a m 。”假定在由相同台阶组成的一定的台阶式溢洪道上，水流已经发展成为 充分发展水流，此时假设水流平均流速为，正常水深为，考虑单宽溢洪道，滑行水 流与底部回流水体间的平均雷诺切应力f 为： f = h o y s i n 口 ( 1 1 6 ) f = c ，p 瑶2 ( 1 1 7 ) 式中，y 为水的比重，c ，为台阶式溢洪道上滑行水流的阻力系数。由上面两式可得： c ，= 2 h ；g s i n a q 2 ( 1 1 8 ) 式中q 为单宽流量。从而，台阶式溢洪道相对光滑溢洪道多的那部分相对能量损失a e e 为： ， 鸳：g 二坐笠g 三! 进 ( 1 1 9 ) 一 1 e 1 f ：2 式中，a e 表示台阶式溢洪道超过光滑溢洪道的那部分能量损失；a 、只分别是光滑溢 洪道坝址处的剩余能量和佛汝德数；一= 【c ；一c f 户：c j 是光滑溢洪道上水流的阻力系数， 其值约为0 0 0 6 5 ；c ，值是台阶式溢洪道坝面的摩擦系数，根据s o r e n s o n 珏4 3 的成果取0 1 8 。 此公式形式较简单，但光滑溢洪道和台阶式溢洪道坝面的摩擦系数的确定较困难。对 于较大的f 可得衄e 兰8 9 。由此可见，台阶式溢洪道可引起相当大的能量损失。 南非的s t e p h e n s o n 。”根据达西公式推导出的滑行水流的消能率公式为： 等= - 一( 等+ ) ( 刳( 各) z 。， 式中，s = q 2 s g , 3 ( h 表示测点水深) ；五为无因次达西摩擦系数，它的计算公式为： 旯：f 上可 ( 1 2 1 ) | 1 1 4 + 2 l o g ( i h k 8 2 叫 式中，k 为绝对粗糙度。此公式是建立在佛氏定律基础上的，没有考虑掺气的影响。 汝树勋考虑掺气的影响，得到台阶式溢洪道相对于光滑溢洪道的消能率公式： 警= c 警净x 1 0 0 2 2 ， 醚、2 9 2 9 。 式中，咋为光滑溢洪道坝址处断面平均流速；巧为台阶式溢洪道掺气水流等效为不掺 气水流水深后的断面平均流速。 张志昌、曾东洋对坡度为3 0 0 、5 1 3 0 、6 0 0 的滑行水流的消能率进行过研究，得出了 消能率的计算公式m 1 ，该公式与文献 2 7 的资料一致。 实际台阶式溢洪道的消能效果和许多因素有关，我们研究时应考虑到各种因素对消 能的影响。泰国的u d o m s a k t 3 s 对高速公路旁的陡峭上坡上径流排泄的阶梯式泄槽进行了试 验研究，得出能量