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陆雯沙河水库主坝 l l 洪闸模型试验研究与优化 摘要 沙河水库主坝泄洪闸泄洪时，闸上水位较高，泄洪闸底板高于闸下泄洪河河 底1 4 5 m ，且消能最大水头近1 8 m ，水力衔接的落差较大，泄洪时闸下消能、防冲 问题尤为突出。设计单位根据不同设计方案，最终利用“跌水”和“水跃”两种水力消 能原理，将多级跌水结构与挖深式消力池结构相互融合，形成“跌水消能”与“水跃 消能”互相叠加的复合式溢洪道水力设计。 为验证工程枢纽布置的合理性及泄洪消能方案的可行性，通过建立工程整体 模型，针对试验过程中出现的问题，提出改进意见及措施，使其满足工程安全运 行要求，并提出溢洪道优化布置方案。本文的主要工作包括以下内容： 阐述各种消能型式的优势和缺点，并就现阶段国内外消能型式发展状况进行 总结。阐述在设计低佛氏数水跃消能工所遇到的问题，以及此类型泄水建筑物水 跃消能的特点和所要解决的问题。 根据沙河水库主坝泄洪闸泄洪的特点，确定试验目的和任务。按重力相似准 则进行模型设计，选择量测仪器，对泄洪闸闸后六级跌水消力池进行整体水工模 型试验研究。观测不同运行工况下消力池内的水流流态、水面线、压强和流速分 布。经过试验研究和多方案比较，提出消力池体型优化方案。 同时，本文利用f l u e n t 软件，采用标准k 一占紊流模型对六级跌水式消力池 进行二维数值模拟，模拟结果与试验结果较为吻合。 本文的研究成果为工程设计提供可靠的设计依据，不仅适用于沙河水库主坝 泄洪闸，对同类型泄水建筑物的消能布置也有重要意义。 关键词 多级消力池；物理模型；数值模拟；消能率 2 扬州人学硕十学位论文 a b s t r a c t d u r i n gf l o o dd i s c h a r g eo ft h em a i nd a m s l u i c ea ts h a h er e s e r v o i r , t h eu p p e rw a t e r l e v e lo ft h es l u i c ei sh i g h ，a n de l e v a t i o no ft h es l u i c eb a s e b o a r di s1 4 5m e t e r s ，h i g h e r t h a nt h a to ff l o o dd i s c h a r g er i v e rb e d m o r e o v e r , t h em a xe n e r g yd i s s i p a t i o nw a t e rh e a d i sc l o s et o18m e t e r s ，s ot h eh y d r a u l i cc o h e s i o nf a l l i sl a r g e t h e r e f o r e ，t h ee n e r g y d i s s i p a t i o na n ds c o u rp r o t e c t i o no fs t i l l e rd u r i n gf l o o dd i s c h a r g ei sp a r t i c u l a r l y o u t s t a n d i n g a c c o r d i n gt o t h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n td e s i g np r o p o s a l s ，t h ed e s i g n i n s t i t u t ea d o p t st h ec o m b i n e dt w oh y d r a u l i ce n e r g yd i s s i p a t i o np r i n c i p l e so f ”h y d r a u l i c d r o p ”a n d ”h y d r a u l i cj u m pi t , a n dc o m b i n e st h em u l t i - s t e p p e dd r o pa n dd e e p e ne n e r g y d i s s i p a t e rs t r u c t u r e s ，t h e nf o r m sah y d r a u l i cd e s i g no fc o m p o u n ds p i l l w a yw h i c hf u c e t h e ”h y d r a u l i cd r o pe n e r g yd i s s i p a t i o n ”a n d ”h y d r a u l i cj u m pe n e r g yd i s s i p a t i o n ” i no r d e rt o p r o v et h er a t i o n a l i t yi ne n g i n e e r i n gp i v o ta r r a n g e m e n ta n dt h e f e a s i b i l i t yo fp r o j e c to ne n e r g yd i s s i p a t i o n ，ai n t e g r a lm o d e lo ft h i ss l u i c ei sb u i l t b a s e d o nt h ep r o b l e m sa r o u s e di nt h ep r o c e s so ft e s t ，s o m es u g g e s t i o n sa n dc o u n t e r m e a s u r e s a l ep o r p o s e df o ro p t i m u md e s i g n , c o n s i d e r i n gt h es a f e t yi nt h eo p e r a t i o no ft h em a i n d a ms l u i c ea ts h a h er e s e r v o i r t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri sd e s c r i b e da sf o l l o w s ： t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lk i n d so fe n e r g yd i s s i p a t i o np a t t e r n s a r ed i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fe n e r g yd i s s i p a t i o np a t t e r n si n t h ew o r l di ss u m m a r i z e d s o m ec o m m o np r o b l e m sa r es t u d i e dw h i c ha p p e a r si nt h e d e s i g no fh y d r a u l i cj u m pd i s s i p a t e r sf o rs m a l lf r o u d en u m b e rf l o w b e s i d e st h a t ，t h e f e a t u r e sa n dp r o b l e m st os o l v eo ft h es a m ek i n d o f b u i l d i n ga r ea l s os t u d i e d c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e l e a s ew o r k sf o rt h em a i nd a ms l u i c ea ts h a h e r e s e r v o i r , t h ep u r p o s e sa n dm i s s i o n sa r ee s t a b l i s h e d m o r e o v e r , a c c o r d i n gt ot h eg r a v i t y s i m i l a rp r i n c i p l e ，a ni n t e g r a lm o d e li sd e s i g n e da n db u l i tf o rt h et e s t i n go fs i x - s t e p p e d e n e r g yd i s s i p a t e r t h ew a t e r f l o wp a t t e r n s ，w a t e rs u r f a c ep r o f i l e ，p r e s s u r ea n dv e l o c i t yo f f o l wd i s t r i b u t i n go ft h ee n e r g yd i s s i p a t e ru n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r eo b s e r v e d b a s e d o nt h e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha n dc o m p a r i n gs e v e r a lp r o j e c t s ，a no p i t m i z e d b o d y c o n f o r m a t i o ns c h e m ef o rt h ec o n f i g u r a t i o no fe n e r g yd i s s i p a t e ri sp r o p o s e d a tt h es a m et i m e b a s e do nt h es t a n d a r dk 一占t u r b u l e n c em o d e lr e s p e c t i v e l y , u s i n gf l u e 】n ts o f t w a r e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na g r e ew e l l 、i lt h a to ft e s t s 陆雯沙河水库主坝泄洪闸模型试验研究与优化 3 t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t si nt h i s p a p e rh a v ep r a c t i c a lv a l u e so nh y d u a u l i c p r o j e c t ，a n da p p l yt ot h em a i nd a ms l u i c ea ts h a h er e s e r v o i r , w h a t sm o r e ，t h o s eh a v ea l l i m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rt h es a m et y 7 p eo fr e l e a s ew o r k s k e y w o r d s ：m u l t i s t e p p e de n e r g yd i s s i p a t e ；p h y s i c a lm o d e l ；s i m u l a t i o n ；e n e r g y d i s s i p a t i o n 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。 除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：法灾 签字日期：少口年岁月引日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大 学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，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：法雯 导师签名： 签字日期： 少扣年岁月j7 日 签字日期：1 m 月 毛 妒 纵 年 们：_如 文 陆雯沙河水库主坝泄洪闸模型试验研究与优化 1 绪论 在水利水电工程建设中，泄水建筑物的下游消能防冲，是直接关系到工程安 全的复杂问题。由于各工程的地形地质、水文及河道特性差别大，工程规模及枢 纽布置也各不相同。因此，如何根据工程的特点，选择既安全又经济的下游消能 防冲方式，是工程建设中经常遇到的问题【i 】。泄水建筑物消能工的选择应与泄水 工程的具体布置相结合，传统消能方式主要有挑流消能、底流消能、面流消能和 戽流消能。据统计，我国己建工程消能设施中，挑流消能约占7 8 2 、面( 戽) 流消 能占1 4 5 、底流消能占7 3 。随着水利事业不断发展，目前国内外已有运行成 功的多种多样新型消能工。 沙河水库主坝泄洪闸泄洪时，闸上水位较高，泄洪闸底板高于闸下泄洪河河 底1 4 5 m ，且消能最大水头近1 8 m ，水力衔接的落差较大，泄洪时闸下消能、防 冲问题尤为突出。设计院根据设计比选研究成果，多级跌水在本工程较为适宜， 以多级连续的台阶式跌水为设计基本模型，利用“跌水”和“水跃”两种水力消能原 理，将多级跌水结构与挖深式消力池结构相互融合，形成“跌水消能”与“水跃消能” 互相叠加的复合式溢洪道水力设计。 为验证工程枢纽布置的合理性及泄洪消能方案的可行性，本文通过建立工程 整体模型，寻求在水位流量一定的条件下较好的设计方案，研究目标着重于泄洪 闸水力衔接设计布置合理性，并针对试验过程中出现的问题，提出改进意见及措 施，确保建筑物的安全运行。 本章简要叙述几种常用泄水建筑物的消能型式，着重介绍低佛氏数水跃消能、 跌水消能水力特性问题以及在国内外的研究动态，并对本文所作的主要工作进行 了简单的说明。 扬州大学硕十学位论文 1 1 泄水建筑物消能工型式 1 1 1 底流消能工 底流消能的特点是通过水跃，将急流转变为缓流，在流态的变化中对下泄水 流的部分动能进行消能。底流消能实质是水跃消能，水跃是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。当水跃发生时，水跃区水流可分为 两部分，一部分是急流冲入缓流所激起的表面旋流，叫做表面漩滚；另一部分是 表面漩滚下面的主流，流速由快到慢，水深由小变大。在主流与表面漩滚交界区 流速梯度很大，紊动掺混极为强烈两者之间不断进行能量交换。发生水跃的突 变过程中，水流内部产生强烈摩擦、掺混作用，消耗大量动能。水跃消能过程如 图1 1 所示吐 i2 cj h 0 、 1 叁i + l 一 一 12 c 3 图1 - 1 水跃消能过程示意图 底流消能对地质条件要求较低，对尾水位变幅适应性较好，具有消能率高、 消能理论成熟、水流衔接良好、下游冲刷力低等优点，应用广泛。在我国中小型 的水利工程中量大面广的闸坝工程一般均采用底流消能的形式。6 0 年代兴建的 盐锅峡、蒲沂溢流坝是我国最早采用底流消能方式泄洪的水库。 但大量研究表明，如在大单宽流量和低佛氏数条件下，水跃区消能会不充分， 消能率低，下泄水流仍有大量的能量，造成下游水流强烈紊动和波动，出现回流、 波浪、折冲水流等现象从而冲刷河床和河岸，给下游消能防冲带来较大困难。 因此，在工程实际中，为了解决低佛氏数水跃消能问题，克服低佛氏数水跃的波 动，增强低佛氏数水跃的消能率，在工程实际中常借助辅助消能工的形式解决。 陆雯沙河水库土坝泄洪闸模型试验研究与优化 辅助消能工主要靠小尺度漩涡，在池内掺混、剪切、剧烈紊动而形成强迫水跃， 提高池内消能率，调整下游流速分布，减小冲刷【3 1 。 1 1 2 挑流消能 挑流消能是泄水建筑物最常见的一种消能方式。它是借助泄水建筑物末端设 置的挑坎，使下泄高速水流自由抛射，在空气中扩散、掺气乃至碰撞，同时利用 水舌跌入水垫形成淹没射流与四周水体和壁面进行剪切、混掺、紊动、扩散作用 消耗下泄水流的巨大动能，减轻对下游河床的冲刷，确保大坝和泄水建筑物的安 全泄洪。挑流消能能量消耗大致分三部分，急流沿固体边界的摩擦消能、射流在 空中与空气的摩擦、掺气、扩散消能、落入下游形成淹没紊动扩散消能。 挑流消能方式的优点是工程设施简易，挑流鼻坎的体型变化具有很大的灵活 性，适应下泄单宽流量和尾水变幅的范围较大，可以利用不同的坎型改变射流形 状与分散度，调整水舌入水点和入水单位面积的流量，改善消能效果，减少下游 防冲措施，节省工程投资。 挑流消能由于下泄水流大部分能量需在下游河床中消散，会带来一些不利因 素，如对下游河床冲刷较为严重，冲坑过深有可能危及水工建筑物安全，下游产 生强烈回流，会造成岸坡严重冲刷，冲坑下游堆积物较多，使下游河床变形，堆 丘将抬高尾水。 因此，合理选择挑流鼻坎体型，改善挑射水流的水力条件，减轻挑流对河床 及岸坡的冲刷，尽量减少下游防冲设施，防范雾化影响，是挑流消能工设计的重 点，特别对兴建在狭窄河谷的高坝工程。挑流鼻坎的型式种类很多，常用的有连 续式、差动式、扩散式、扭角斜挑式、扭曲式、高低坎等。挑流消能适用于基岩 比较坚固的中、高水头各类泄水建筑物，是应用比较广泛的一种消能工。 1 1 3 面( 戽) 流消能工 面流消能，国外在上世纪2 0 年代开始研究应用，最早采用面流消能的是前苏 联的伏而赫夫水电站，主要用于排木、排冰，国内则是上世纪5 0 年代才开始应用。 我国第一个采用面流消能的工程是西津水电站。戽流消能在1 9 4 1 年首次应用于美 4 扬州人学硕+ 学位论文 国大古力溢流坝( 高1 6 8 m ) ，而我国第一个采用戽流消能的是上世纪7 0 年代修建 的石泉坝，至今也有近4 0 年历史i 引。 面( 戽) 流消能方式对于中、低水头，特别是下游尾水较深且水位变幅不大 的建筑物消能有较好的适应性。其中面流消能对排冰、漂木过坝具有良好性能。 它比底流消能经济、简单。面流( 戽流) 消能工的工程量一般介于挑流与底流消能 工之间，但对下游河床局部冲刷是几种消能工中最为突出的。 面流( 戽流) 消能，均需在坝趾设置垂直的鼻坎，坎顶高程低于下游尾水位。 面流消能的鼻坎高度要稍高些，坎顶挑角要小，使坎顶的射流与下游的尾水在表 面处相衔接，通过较长距离内主流水股的扩散与坎下游底部横轴漩滚的有机结合 面消能，虽然消能率低，但由于高速水流集中于面层，所以减轻了对下游河床的 冲刷。戽流消能要求在坝趾处设一大半径的反弧段，形成一个戽斗，末端设一较 高和挑角较大( 常采用4 5 0 ) 的鼻坎，使其出现稳定而强烈的“三滚一浪”流态，及在 戽内产生逆时针的漩滚，出戽后的主流形成一个涌浪，在主流下面，消力戽鼻坎 下游形成一个顺时针的漩滚，在涌浪后的尾水段上也形成一个漩滚，使水流在剧 烈的漩滚和冲击中消能。在合适的条件下，消力戽是一种有效和经济的消能方式， 有逐渐取代面流的趋势。 面流( 戽流) 消能的主要问题是传送至下游的水流余能大，水面波动较剧烈， 影响距离较远，造成岸坡冲刷，对航运不利。如石泉电站为戽流消能，距县城千 余米，泄洪使沿岸波浪很高，造成两岸严重的冲刷。富春江电站为面流消能，泄 洪时下游两岸也有冲刷问题，航运受到一定影响。此外，还有下游的漩滚带动砂 石冲击磨损表面和相邻边墙及淘蚀基础等问题。如龚咀溢流坝的纯面流消能，在 表面流速3 0 r n s 的情况下，底部产生很大范围的强烈漩滚，带动了砂石，使周围 的漂木道的软弱基岩和厂房基础侧面混凝土发生严重的冲击磨损。石泉消力戽和 西津面流消能，也有戽勺内磨损和淘蚀基础的问题。这些问题都是通过原型观测 及时发现而得到处理的。 目前采用面流、戽流消能，尚缺乏成熟的计算方法，一般都依赖模型试验来 确定工程布置与尺寸。但在某些情况下，由于原型河床不易模拟相似，原型实际 陆雯沙河水库土坝泄洪闸模型试验研究与优化 发生的流态往往与模型有一定差别。因此，加强原型观测，研究消能工体型和适 用范围很有必要。 1 1 4 新型消能工的发展及应用 近年来，随着水利水电建设事业的发展，人们对消能机理认识逐步深入，不 断创造出了许多新型消能型式并被应用于工程实践中。 狭义新型消能工是指不同于传统底流、挑流、面流及戽流等单一消能形式的 消能工，广义则指除消能建筑物外，还包括了为增强消能效果而采用的各种工程 措施，可以将它们分为四类，即大差动、收缩式、异型坎和其它特种消能工。 1 ) 大差动消能工 大差动，就是在坝上不同位置布置、不同孔径不同数量的表、中、底泄流孔， 组成不同高程、不同挑角的大差动挑坎，使射流在平面左、右扩散撞击，立面上、 下水股对冲，在整体形成三维扩散的水舌，促进射流破碎、掺气，提高消能率。 2 ) 收缩式消能工 收缩式消能工的主要是利用边界约束，强制水流横向收缩。收缩式消能工典 型代表是宽尾墩和窄缝坎。尤其宽尾墩消能工形式为我国首创，最先用于潘家口， 后在安康水电站全面突破，取得成功，在国内外有相当影响。近期在建的五强溪、 岩滩、隔河岩及许多中小型工程也都相继引用了此种消能工。其作用机理是利用 结构措施强迫水相射流产生变形，使出射后水股在竖向和纵向扩散，促使水流强 烈紊动掺气和破碎。同时，射流受强迫变形，产生强烈冲击波干扰和碰撞，水流 纵、横断面上质点流向、流速梯度和压力梯度急剧变化，使射流从二元流动的自 由剪切紊动转变为三元流动的强化剪切紊动，从而提高消能率。 3 ) 异形坎消能 鼻坎挑流消能工，其作用一是对水流导向，二是使射流扩散消能。其效果取 决于鼻坎体形。对水流的导向由地形条件和枢纽布局决定，而射流扩散消能，其 本质是由于射流紊动消耗以及由紊动造成掺气滞后所引起的附加耗散。异型鼻坎 消能率较高，就是因为它利用其特殊的体形，扩大了紊动源，增大了射流初始紊 6 扬州人学硕十学位论文 动强度。同时使水流在抛射过程中互相碰撞、混掺，增强了射流的紊动，有效缩 短水舌核心区长度，增大了碎裂掺气区长度。 4 ) 其它消能措施 随着理论研究成果的积累，计算手段，施工水平以及建筑材料等方面的发展， 其它体形也得到了相应发展，如“消力井”、“旋转涡流消能”、“多级孔板”、“自屏 蔽式消能工”、“逆流消能”等等。这些型式的消能设施，都不同程度解决了一些工 程问题，值得借鉴。 实际工程的消能措施有时不是单一的衔接方式，而是两种甚至三种衔接方式 的混合应用。近年来，消能工的发展十分迅速，国内外己建成或j 下在研究的新型 消能设施还有逆流消能，粗糙坡面消能，扩大和偏转消能，顶冲式消能室，陡槽 上的齿墩，左右对冲消能等等。其中有些仅靠模型试验确定体型，获得水流的消 能特性，有些则已提出了初步的体型设计方法和水力计算方法。 1 2 低佛氏数水跃消能与跌水消能国内外研究现状 1 2 1 f 氐佛氏数水跃水力特性国内外研究现状 人们对水跃的研究已有一个多世纪，尤其是对平底二元自由水跃的研究，取 得了大量试验资料和较可靠的水力设计方法。水跃的水力特性包括水跃的共扼水 深比、水跃长度、水跃表面形状等，它们是消力池设计中的重要参数，这些参数 均随着佛氏数变化而变化【4 1 。 1 ) 水跃的共轭水深比 按照水力学中水跃方程的推导方法，计入各种因素的影响，平底矩形水槽二 元自由水跃的共轭水深比一般通式为【5 j ： ( 鲁) 3 + c 占一一2 c 届+ 2 疋一2 五，乃2 ，c 鲁，+ 2 及凡2 = 。 ( - 1 3 + g - - 1 - 2 ( 层一2 疋+ 2 互，丹2 ，c 鲁，+ 2 殷曩2 = 。 ( 1 2 ) 陆雯沙河水_ 阵i 坝泄洪闸模型试验研究与优化 7 其中占为无尺度摩擦阻力，占根据文献【6 1 的实测资料，文献5 1 建议的计算式为： = ( 圭，) = 0 0 0 6 4 酽 m 3 ) 式( 1 - 1 ) 和式( 1 - 2 ) 为计入水跃段底部摩阻力、跃前和跃后断面流速分布不 均匀性以及紊动强度的平底二元自由水跃的共轭水深比方程。 如果假定跃前和跃后断面流速分布是均匀的( 即f l , = 履= 1 ) ，并忽略其断面 的紊动作用( 即互= 瓦= o ，s = 0 ) ，只考虑水跃底部摩阻力作用，式( 1 - 1 ) 和式( 1 - 2 ) 可简化为： + c 鲁) ( 占- 1 - 2 确嘲2 = 。 4 ) 如果忽略跃前和跃后断面紊动和水跃底部摩擦阻力的作用( 即 正= 五= o ，s = o ) r 考虑跃前和跃后断面流速分布的不均匀性，式( 1 - 1 ) 和式( 1 2 ) 可简化为： ( h 2 s - ( 1 + 2 屈乃2 ，c 鲁，+ 2 屐死2 = 。 c 一5 ， 不同研究者在解此式时，根据各自在不同试验条件下得到的数据，得到了其 形式基本相同，但系数稍有差异的以下几式。 1 9 7 3 年文献【7 】作者s a r m a 等，在3 6 5 7 6 c m 长，3 0 4 8 c m 宽的玻璃水槽中， 对平底闸下出流的低佛氏数水跃试验研究后得到的公式为： ( h 缟：，s = 0 5 ( 厨丽卅 “。 1 9 8 2 年文献 8 的作者陶得山在2 1 m 长，0 6 m 宽的玻璃水槽中， 出流的低佛氏数水跃试验研究后得出的公式为： ( 等 3 ；。5 c 丽一x 丹。= 7 4 5 式中动能修正系数：= 乃1 i ( 1 0 3 f r 。- 0 3 5 ) ( 1 6 ) 对平底闸下 ( 1 - 7 ) ( 1 8 ) 扬州人学硕士学位论文 1 9 8 6 年文献 9 1 1 拘作者靳国厚等在7 m 长，0 6 m 宽的玻璃水槽中，对坝顶闸 孔出流下游的低佛氏数水跃试验研究后得到的公式为： ( h 惕2 1 3 = 0 5 ( 瓜鬲_ 1 ) “。 m 9 ， 式( 1 9 ) ，就是著名的b e l a n g e r 水跃方程。 2 水跃长度 水跃长度是指跃前断面到跃后断面的水平距离。它的确定主要取决于跃前和 跃后断面位置的正确确定，一般跃前断面位置容易确定，但跃后断面位置难于确 定。对跃后断面位置的选取情况不同，水跃长度公式也就不同。现将文耐1 0 】给出 的国内外对低佛氏数水跃长度的研究成果列于表1 1 中。 表1 - 1 低佛氏数水跃长度的研究 公式来源公式形式、公式序号、公式适用条件 说明 文献 1 i 】1 9 8 6 厶= 8 4 ( c 一1 ) j l z l ( 1 - 1 0 ) 取水跃漩滚末端，即基本上 3 1 6 e 5 0 6 没有反向流速的断面为跃后断 文献 1 2 1 9 8 8 三r = 7 4 5 ( c 一0 9 6 3 ) 向( 1 1 1 )面。三，为水跃漩滚长度。 2 1 6 只4 5 从跃后的流速分布观测，取 文献【8 】1 9 3 2 l j = 1 1 1 j 2 1 ( c - 1 ) n ”( 1 1 2 ) 流速分布接近正常分布的缓流 开始断面为跃后断面。 文献【5 】1 9 7 3 t 2 8 7 5 啊( c 一1 ) 。9 3 ( ) 从水面观测，取水面接近水 e 4 0 平的水位最高位置的断面为跃 文献 1 3 1 9 6 4 t2 9 4 ( 只一1 ) 啊 ( 1 1 4 ) 后断面。三，一水跃长度。 e 4 5 3 水跃表面形状 在消力池设计中，水跃的水面线是一个重要因素。有许多学者对此进行了试 验研究，他们根据自己的试验成果提出了不同计算水跃水面线的公式。近几年提 陆雯沙河水库土坝泄洪闸模型试验研究与优化 9 出的两个公式如下： 1 9 8 6 年靳国厚及黄种为提出的水跃水面线计算公式9 1 为： ( y & ) - - 1 + 0 3 9 ( x h 1 ) + o 0 0 7 5 ( x h a ) 2 ，f r 。 4 5 ( 1 1 5 ) 式中y 为基于h 1 之上的水深，x 为从跃前断面算起的沿流程距离。 1 9 8 8 年张声鸣提出的水面线计算公式1 4 】： y m 懿啊= 1 + a ( 0 5 x 1 + 8 f r l 2 1 5 ) ( 1 1 6 ) 歹魄= l + b ( o 5 l + 8 曩2 1 5 ( 1 一1 7 ) 。矗= 1 + c ( o 5 , 1 + 8 曩2 - 1 5 ) ( 1 1 8 ) 式中y 一、y 、) ，曲分别为水跃漩滚高度的最大值、平均值和最小值，均为 从消力池底算起的水深。式( 1 - 1 6 ) 至式( 1 1 8 ) 适用2 5 曩4 5 ，系数a ， b ，c 分别为： a = 0 2 2 3 + 3 4 9 8 ( x l ) 一4 5 2 5 ( x l ) 2 + 2 7 7 4 ( x l ，) 3 0 3 2 2 ( x l ) 4 ，o ( 衫三j ) 1 b = 4 1 2 0 + 3 4 9 8 ( x l ) 一6 9 4 7 ( x l ，) 2 + 5 5 4 0 ( x l ) 3 1 7 0 7 x l ) 4 , 0 ( 衫上j ) 1 c = 一0 0 6 5 + 3 1 5 4 ( x l ，) 一4 1 0 9 ( x l ) 2 + 2 4 2 4 ( x l ) 3 0 5 2 1 ( x l ，) 4 ，0 0 2 1 2 ( x lj ) 关于水跃表面轮廓的已有研究成果表明【1 4 】： 1 ) 在低e ，数水跃区，水跃表面轮廓( j ，) 随c 。数降低而受( 衫) 的影响变 小，( 衫) 递增时，( j ，铂) 随c ，数的变化率增大。波状水跃时几乎不产生漩滚， ( y j i 2 1 ) 值接近常数1 ，基本上不随c 。数变化，从而波状水跃消散的能量大为减少。 2 ) 水跃表面轮廓线不是一条单一光滑的曲线【7 ，9 】，也不是一个单值恒定面， 而是有一个波动范围。 3 ) 水跃区水面的波动和水跃的紊动强度沿流程变化规律一致，且随e 。数的 增加而增大。 1 0 扬州人学硕十学位论文 1 2 2 低佛氏数水跃水流的紊动特性国内外研究现状 低佛氏数水跃水流存在着大尺度紊动和水面波动，与其相关的因素有佛氏数、 动能修正系数、跃后断面流速分布的不均匀度、水跃漩滚能量等。一般水跃末端 的紊动能越大，对下游河床岸坡的冲刷越严重【15 1 。 5 0 年代，h r o u s e 等人在水跃纵剖面的空气管道中模拟水跃，即水跃的气 流模型，用热丝风速仪量测了水跃段的脉动，对水跃紊动特性和能量传递等进行 了探索性的试验研究。 6 0 年代，f h a r t t m g 等【1 刀通过冲刷试验，观测放在跃后的不同粒径砂粒运动 来确定水跃的冲刷能量。用水流中最小启动流速，推算出水跃末端的大尺度紊动 能，试验中e 。= 6 0 、8 0 和9 7 2 。他们认为水跃消能率与水流的大尺度紊动能有密 切关系，并且对大尺度紊动造成工程破坏的原因进行了探讨。p a a r g y r o p o n l a s 1 8 】 着重研究了水跃紊动对建筑物的影响。n r a j a r a t n a n t 6 1 对光滑渠道中闸下出流所形 成水跃内的时均流速分布进行了系统的试验研究，试验中e 。= 2 6 8 9 7 8 。流速 和压力量测采用p r a n d t l 管，外径3 0 m m ，施测范围限于顺向流区。他仔细研究时 均流速分布，发现水跃实际上可看成是贴壁射流。同时还发现随e 。数增大，实测 的水压力与静水压力的偏差随之增大，但似乎在所有情况下，在断面上2 5 的水 深区域内，其压力分布基本上是按静水压力规律分布的，在b e l a n g e r 导出的共轭 水深方程的基础上计入槽底摩阻因素，并对水跃研究成果进行了综述。 7 0 年代，s e g a r y 等人1 9 1 对水跃特性进行了研究，对低c 。数水跃消能较差 这一概念作了定量解释。试验中f r = 2 0 9 4 4 8 。 8 0 年代，张清可等人采用偏振差动激光测速仪和j s p 1 型信号处理器对堰 下平底非淹没的自由水跃下游水流的紊动特性进行了系统的试验研究，试验中 e = 3 1 6 、3 5 5 和5 0 6 。靳国厚等人 9 1 用石子起动的最小能头减去水流的时均流速 水头得到水流紊动能的方法，对闸堰出流所形成水跃下游的稳动特性进行了试验 陆雯沙河水库主坝泄洪闸模型试验研究与优化 l1 研究，佛氏数为3 9 7 2 5 。廖文根、张任等人【2 0 1 应用激光多普勒测速系统，对低e ， 数消力池尾坎下游水流的紊动特性进行了试验研究，e ，= 3 7 、4 0 3 和4 6 6 。文献 1 2 】 的作者应用c d l 8 6 型超声多普勒流速仪，对堰下水跃下游有尾坎及无尾坎两种 情况水流的紊动特性进行了试验研究，试验中e ，= 2 1 6 4 5 。 1 2 3 低佛氏数辅助消能工研究现状2 1 】 2 0 世纪6 0 年代以来，水利研究者通过研究，提出了一些提高低佛氏数水跃 消能率的措施。 1 ) 多级消力池 多级消力池是指采用两级或两级以上的消力池。目前，在我国水利工程使用 尚不太多，己使用的有沐河大官庄枢纽、四川东西关水电站、黄河沙坡头施工导 流明渠等。对于低佛氏数水跃消能，由于每一级消力池消能率都很低，均为 2 0 0 0 - - 3 0 左右，通过多级消力池，使跃后水流产生落差，给下一级水跃形成创造 条件，通过几次消能的积累，可获得较好的消能效果。如东进闸原设计一级消力 池消能率仅为1 9 8 ，改为5 级消力池后，总消能率达6 2 。 2 ) 消力池+ 消力墩 常用的消力墩有矩形墩、梯形墩、t 型墩及角锥墩等，消力墩属冲击式消能 工。当消力墩设在跃首，可增加流速梯度。当消力墩设在池中，可形成冲击射流 和强迫水跃，降低第二共轭水深，起到缩短池长和增加水流扩散能力的作用。 3 ) 消力池+ 趾墩 趾墩设施布置在消力池上游陡坡处，由水平掺气坎、侧墙挑坎和若干个趾墩 三部分组成。在消力池上游陡坡上增设趾墩后，可使水跃长度和跃后水深减小， 总能量增加。趾墩增强消能的主要原理是通过墩体束窄泄水道，使泄水道水流形 成多股纵向扩散的射流，射流沿垂直陡槽方向的厚度将随着趾墩收缩比及墩高比 的增大而增加许多倍，因而水流在铅直方向得到显著的扩散，在横断面经扩散连 成一体。底部水流流到陡坡上后，以水跃方式进入消力池进行消能；顶部的扩散 1 2 扬州人学硕十学位论文 水舌在空中变形、碰撞、混掺、碎裂、掺气，大大地扩展了水舌的断面面积，增 加了水舌在空中的消能效果。这种充分掺气的多股水舌射入消力池，以附加动量 的方式参与水跃消能。这时的消力池形成多股小尺度三元漩滚，互相掺混的三元 水跃，对应的第二共轭水深大为降低，能使原来成为远驱水跃的流态转变为淹没 水跃。这就显著地提高了消力池的消能率，达到缩短池长与减少池深的目的。 4 ) 消力池+ t 型尾墩 t 型墩消力池是由平底消力池设一排或两排消力墩与尾坎连成一整体，借助 t 型墩及尾坎对水流的分散、撞击、混掺、分割等作用，在坎前形成强迫水跃， 坎后形成二次漩滚与尾水相接，池内水流流态类似消力戽的水流流态。有辅助消 能工消力池和消力戽两者的消能特点。最早应用t 型墩消力池的工程是印度设计 的巴哈凡尼坝，我国七十年代末开始研究，并从八十年代起，先后在湖南和东北 等地十几个工程中采用。这种消能方式在低佛氏数水跃的消能中用得比较多，如 三江口溢流坝、津河水库、拴驴泉坝等。 5 ) 消力池+ 低坎分流墩 低坎分流墩消能工是由出射角较小的低坎和平面为三角形的竖向分流墩组 成，设置于坝趾处。竖向分流墩使下泄水流在平面上先收缩后扩散，使得墩后局 部区域存在着较大的流速梯度，在墩后形成竖向漩滚。因此下泄水流在低坎和分 流墩共同作用下，使低佛氏数的摆动水跃变成了剧烈的多轴漩滚，水流的剧烈碰 撞使水流断面流速分布急剧变化，从而流速梯度增大，紊动增强，产生的强烈附 加切应力使水流的部分机械能较快地转化为热能而消耗掉，大大地提高了消能效 果，有效地降低了坎后水流流速，削减了下游水面波动，减轻了水流对河床及岸 边的冲刷。墩后底部漩滚带回的淤积物可加固墩体的安全，因而在坎后小设护坦 的情况下也能满足消能安全要求。如左江水利枢纽就采用这种消能方式。 6 ) 消力池+ 宽尾墩 宽尾墩则是将闸墩尾部扩大，水流被宽尾墩束窄挑起后落入消力池，从而提 高消能效果。由于采用宽尾墩使墩尾加宽，闸室沿程收缩，将经溢流而入池的水 舌分成两部分，闸室两侧水舌经宽尾墩挑坎形成挑流，中部水舌仍为底流，挑流 陆雯沙河水库主坝泄洪闸模型试验研究与优化1 3 和底流联合作用的结果使水跃稳定，同时改变了自由水跃的水流结构，使入池水 流形成三轴漩滚，增加了水流的紊动作用，同时造成水流的大量掺气，水流大部 分动能就是通过掺气和池中水流强烈的紊动、碰撞、混掺、对流而消除，因而提 高了池内消能效果。这种消能方法是我国最早研究的，己成功应用于安康水电站、 隔河岩水电站、岩滩水电站、鱼剑口电站等。 此外，低佛氏数消能的方法还有消力戽消能、戽面流消能、拱网消力池、宽 尾墩戽式消力池、梳齿板消能工、格栅式消能工、消力池十分流墩+ 消能墩、连续 尾坎、孔板消能等。 1 2 4 跌水消能水力特性国内外研究现状 从水力学角度看，跌水消能由两部分组成：一是跌流，二是水垫，所以类同 于挑跌流水挚塘消能。但跌水消能的规模一般远小于挑跌流水挚塘，而且相对于 水跃消力池而言，跌水消力池的设计理论还不够完善2 3 1 。 最早研究跌水消能的是m o o r e ( 1 9 4 3 ) t 2 4 1 ，后来，w h i t e ( 1 9 4 3 ) 、r a n d ( 1 9 9 5 ) 2 5 1 、 g i l l ( 1 9 7 9 ) t 2 6 】以及r a j a r a m a m ( 1 9 9 5 ) 都对跌水消能进行了近似分析和实验研究。 得出的经验公式主要有以下几种【2 7 】： 1 ) r a n d 公式： 旦：0 5 4 d t 4 0 4 2 5( 1 1 9 ) 一= _ - lyj 坠：1 6 6 d 0 2 7( 1 2 0 ) 一= _ 、i - ，ij j 坠：1 o o d o 。2 2( 1 - 2 1 ) 丝：4 3 0 d o 2 7( 1 2 2 ) 式中：d 跌落指数，d = q 2 ( g 缈3 ) g 单宽流量； 形跌坎高； 1 4 扬州人学硕十学位论文 图1 - 2 跌坎渠槽的水跃 ( 2 ) w r i t e 公式 厶彩i 水距离； 噍水舌着水点上游侧水深； 办着水点急流水深； 矗”对应的跃后水深。 k = 孚刚) h ：q ： 兰望 kv o o + c o s 力j 一， h t 1 = = l h ”2 l 红= 式中 跌水水舌射入水面前之流速； 口水舌射入水面的入射角； k 对渠道床面的冲击流速( 等于流向下游的出流流速) ； 其他符号意义同前。 ( 3 ) 安芸公式 1 k = 二 1 1 + 口 式中口= a s h 。，当x = 5 + 2 3 时，用下式求算： 降一争 警+ 篙 - 0 ( 1 - 2 3 ) ( 1 - 2 4 ) ( 1 2 5 ) ( 1 2 6 ) ( 1 2 7 ) ( 1 2 8 ) 陆雯沙河水库主蜘 泄洪闸模型试验研究与优化 1 5 彳= 争幽icoso+g ql 啦4 迎ql ( 卜c o s 口) 【j j b = 隆必 v o cos0+gq掣4 q ( 1 + j c 伽) 【lj c = 饬o = o 6 5 ( 1 2 9 ) ( 1 3 0 ) ( 1 3 1 ) 9 = c 。t 一 c 。t 秒+ 里至多嚣 著 c ，一3 2 ， 式中：d 。在冲击点逆流向上游的水流水深； 口向下游出流的水深h 和d 。之比； 。水舌着水点实际有效水垫的水深； 矽水舌对渠道床面的冲击角。 在图1 2 所示跌坎渠道中，由于自由下落的水舌冲击床面流向下游时，冲击 点处水舌向上下游分流，故在水舌着水点的上游侧形成天然水垫。水挚水深在水 流方向的静水压力，相当于沿着自由下落水舌形式的水流，例如沿溢流坝下游坝 面下泄水流改变成水平方向时作用于边界面上的力，即离心力在水平向的分力。 由于水挚引起的水舌扩散，使流向下游水流的流速比沿水舌形成水流的流速要低 得多。 式( 1 1 9 ) 式( 1 - 2 2 ) 是r a n d 提出的经验公式，是按跌坎高度和流量给出 的无因次跌水指数d ，然后将跌水后水跃的水流形状作为d 的函数来表示的。 式( 1 2 3 ) 式( 1 - 2 6 ) 是w r i t e 根据动量守恒定律导出的，但在推导式( 1 2 3 ) 时略去了上游侧因水垫水深所引起的静水压力。 式( 1 - 2 7 ) ( 1 3 2 ) 是安芸导出的，此式考虑了到达水垫面得水舌因静水 压力转向下游的特点。首先由式( 1 3 2 ) 求出水垫水深。；其次令破= 0 ，用式 ( 1 - 2 9 ) 和式( 1 - 3 0 ) 决定a 和b ，代入式( 1 - 2 8 ) 求出口。将口值代入式( 1 - 2 7 ) 1 6 扬州人学硕十学位论文 算出k 的第一近似值，再由k 值和口值求出，如此反复计算。通常经过大约三 次计算，k 即可收敛。 图1 3 是安芸在试验条件为自由跌水高度3 m 、流量为0