（水力学及河流动力学专业论文）泄洪洞中墩水翅现象及其防治研究.pdf

摘要 在水利工程中，水翅是一种经常发生的水力现象。本文在回顾水翅现象研究 现状的基础上，以试验研究和理论分析相结合的方法，着重对泄洪洞中墩水翅现 象和水翅防治进行了研究，主要研究内容和成果如下： ( 1 ) 依据量纲分析理论，对水翅现象的影响因素进行了分析，可知水翅现象 与泄洪洞有压段出口胁、水流对冲长度厶和水面下凹深度玩有关。 ( 2 ) 应用刚体抛射的理论并结合试验资料，提出了直立式中墩水翅的计算公 式。 ( 3 ) 水翅的变化与水流对冲长度的变化相关。据此，提出负荷分配型中墩， 使中墩左右两股水流从上到下均在不同的断面上交汇，均匀分配水流对冲引起的 冲击负荷。通过试验成果分析，可知负荷分配型中墩可以使水流对冲长度减小， 从而减弱水翅。 ( 4 ) 水翅的变化也与水面下凹的变化密切相关。据此，提出水垫型中墩，根 据水面下凹的程度，垫高底部的高度，改善由于中墩尾部附近水面急剧下凹引起 的水翅危害。通过试验成果分析，可知水垫型中墩可以使水面下凹深度减小，从 而减弱水翅。 关键词：泄洪洞；中墩；水翅； 现象；防治 a b s t r a c t w a t e r - w i n g s ，u s u a l l yt a k i n gp l a c e i n h y d r o p o w e re n g i n e e r i n gp r o j e c t s ，a r e i m p o r t a n tp r o b l e m s i nt h ep a p e r , t h es t u d i e so fw a t e r - w i n g sw e r er e v i e w e da n dt h e w o r k sw e r ep r o f o r m e do ft h ew a t e r - w i n g si n d u c e db yt h em i d d l e - p i e ro fad i s c h a r g e t u n n e l a c c o r d i n gt ot h em o d e lt e s t sa n d t h e o r e t i ca n a l y s i s t h ew o r k si n c l u d e d ： ( 1 ) b a s e do nd i m e n s i o n a la n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eh e i g h ta n d l e n g t ho ft h ew a t e r - w i n g sw e r eo b t a i n e d ( 2 ) b a s e do nt h et h e o r yo ff r e ep r o j e c t i l e ，t h ec o m p u t a t i o nm e t h o d so ft h e h o r i z o n t a lj e td i s t a n c ea n dv e r t i c a lh e i g h tf o rt h ew a t e r - w i n g sw e r ed i s c u s s e d ( 3 ) t h ew a t e r - w i n g sa r er e l a t e dc l o s e l yt ot h ei m p a c tl e n g t h so ft h et w of l o w s a f t e rt h ee n do ft h em i d d l e - p i e ro ft h ed i s c h a r g et u n n e l t h e r e f o r e ，an e wk i n do f m i d d l e p i e r s ，c a l l e da si m p a c tl o a du n i f o r m i t yt y p e ，w a sd e s i g n e d ，a n dc o u l dm o d i f y w a t e r - w i n g se f f i c i e n t l y ( 4 ) m e a n w h i l e ，t h ew a t e r - w i n g s a r er e l a t e d c l o s e l y t ot h e d e p t h s o f c o n c a v e - s u r f a c ei nt h ee n do ft h em i d d l e p i e r a n o t h e rn e wk i n do fm i d d l e - p i e r s ， c a l l e da s i n c r e a s i n gs u r f a c et y p e ，w a sd e v e l o p e d ，a n dh a sb e t t e r e f f e c t so nt h e w a t e r - w i n g s k e yw o r d s ：d i s c h a r g et u n n e l ；m i d d l e p i e r ；w a t e r w i n g ；p h e n o m e n o n o f w a t e r - w i n g ；p r e v e n t i o no fw a t e r - w i n g z7 二 p l ： - 一。 - 0r 一 学位论文独创性声明： 吣 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 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 主乙建 2 0 0 6 年6 月协日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：芝乙壶 2 0 0 6 年6 月彦e l il 第一章绪论 第一章绪论 1 i 泄洪洞水力学问题研究概述 随着国民经济和社会的发展，世界上修建的高坝日益增多，高坝泄水建筑物 上下游水位差大，泄水流速一般可达3 5 m s 以上，有的高达5 0 m s 之上，通常把 流速大于3 5 m s 的水流称为高速水流，而把流速大于5 0 m s 的水流称为超高速水 流。高速水流会发生一些特殊的水流现象，由此产生的相关水力学问题称之为高 速水流问题，如掺气水流、空化空蚀、泄洪雾化、消能防冲、冲击波、流激振动 等都是水电工程建设中的一些重要的问题。 根据我国已建和在建的一百多座大型水利工程和世界上大大小小上万座坝 的统计，泄水建筑物大致可以分为以下几种型式：( 1 ) 坝体泄水孔；( 2 ) 岸边溢 洪道；( 3 ) 泄洪洞；( 4 ) 河床式溢流坝等。泄水建筑物的设计与坝型、地质、下泄 流量、枢纽组成等因素有关。 其中，泄洪洞是各种类型的大坝中常用的泄水建筑物，其纵剖面体型可分为 龙抬头式、竖井漩流式、突缩突扩式、平斜直线式、陡槽式、龙落尾式2 。现 将所收集到的泄洪洞单洞泄洪流量在2 5 0 0 m 3 s 以上的部分高坝列入表1 1p 州。 随着高坝工程的建设，大大带动了泄洪洞高速水流问题研究的发展。国内外 学者长期以来，对此进行了大量的研究。例如：泄洪洞反弧段空蚀防治盯1 惜3 、孔 板泄洪洞内空蚀防治叫引、竖井漩流内消能工的空化7 3 、泄洪洞的防空蚀体型 n 9 2 0 1 、掺气水流和掺气减蚀心卜。2 引、孔板消能工姑3 引、竖井漩流消能工。卜1 0 1 、台阶 消能工。矧、泄洪洞内的水翅问题等等。 1 2 泄洪洞中墩水翅问题的提出 国际上通常将水头超过5 0 m 的闸门归为高水头闸门n 州。随着水电事业的发展 和高坝大库的涌现，闸门尺寸和作用水头均不断增加。闸门的工作水头越高，高 速水流的水力学问题越多；闸门孔口面积越大，金属结构的力学问题及加工工艺 问题越突出；闸门承受的总水压力越大，启闭设备的铸造、锻造、加工越困难。 工作水头、孔口面积与总水压力这三项指标是反映闸门水平的主要指标。盯1 。从工 河海大学硕士学位论文 表1 1 泄洪洞单洞泄洪流量在2 5 0 0 m 3 s 以上的高坝 坝 坝名 坝高泄洪流量隧洞 基本参数所在国家 型( m )( m 3 s )条数 前段为有压流，后段为明流， 重 三门峡 1 0 63 2 8 02中国 8 m 8 m 弧形门 力 漫湾 1 2 62 5 7 01 进口1 孑乙1 2 m 1 2 m 弧形门， 中国 坝 后段1 2 m 1 4 m 隧洞 乌江波 1 6 5 4 1 3 02明流洞。9 m 1 3 5 m 弧形门 中国 重 h o o v e r2 2 1 41 1 4 0 02 o1 5 2 m ，侧槽式进水口共设 美国 8 孔，3 0 5 m x 4 9 m 弧形门 力 0 1 2 5 m ，进水口各设2 孔 拱 g l e nc a n y o n2 】6 47 8 1 52美国 1 2 2 r e x l 6 m 弧形门 中1 0 4 m ，进口1 2 5 m x 9 7 m 坝 a l d e a d a v il a1 3 9 5 2 8 0 0 1西班牙 弧形门 右洞1 3 m x l l 5 m ，8 m x l o m 碧口 1 0 13 9 7 0 2弧形门；左洞有压中1 0 5 m ，中国 土 无压l o m x l 2 m 石 n u r e k 3 0 04 0 4 02 洞身1 2 m x l o m ，各2 个3 5 m 坝 9 m 弧形门 塔吉克斯坦 上段1 2 m x l 2 m ，下段1 4 m x r o g u n3 3 53 5 0 01塔吉克斯坦 1 8 m ，设表孔及中孔进水口 左洞有压段中1 2 5 m ，8 5 m x 9 m 弧形门，后为明流右洞有 鲁布格1 0 14 2 9 02中国 压段0 1 0 5 m ，7 m 7 m 弧形 门，后为明流 2 扇5 m 1 1 5 m 检修闸门，2 三板溪 1 8 5 52 9 3 61 扇5 m 9 m 弧型工作门，进口 中国 为有压短管下接明流隧洞 堆 a s w a n1 1 16 0 0 06 0 1 5 m 进口各2 孔，4 2 m x 埃及 石 3 1 5 m 弧形门 中1 5 m 进口各3 孔，9 7 m x 2 2 m 坝c h i c o a s e n2 6 11 7 3 7 03墨西哥 弧形门 低洞7 m 7 m 弧形门；高洞8 m f i e r z e1 6 73 5 0 02阿尔巴尼亚 l l m 弧形门 e 1 中1 3 m 进口各3 孔，7 4 m i n f i e r n ill o 1 4 8 1 0 3 5 0 3墨西哥 1 5 5 m 弧形门 断面尺寸1 3 1 3 5 ，i 号洞全 二滩2 4 03 8 0 02中国 长9 2 2 m ，2 号洞全长1 2 6 9 o l m 0 1 1 6 m ，进口5 个1 1 2 r e x 德基 1 8 03 2 0 0l中国 8 m 平板门 短进水口，1 2 m x1 2 m 弧形门， 拱 东风1 6 6 2 8 9 01中国 后1 2 m 1 7 5 m 0 9 5 m 进口2 孔，7 6 m 坝 y e l l o wt a i l1 6 02 6 0 01美国 1 9 6 m 弧形门 d e z2 0 36 0 0 02高洞中1 4 m ，低洞0 1 2 5 m伊朗 0 1 2 m ，2 个4 m x 9 5 m 滚轮平 e 1c a j o n 2 2 6 4 0 0 02洪都拉斯 板门 2 产； ，l 第一章绪论 作水头来看，我国己进入世界先进行列，而孔口面积和总水压力还存在较大差距。 高水头闸门主要技术难题，反映在高速水流下闸门的空蚀、振动及水流脉动舢。 对于高水头泄洪洞，由于闸门制造、运行等方面的限制，泄洪洞的形式，或 采用竖井、斜井，或采用龙抬头，或采用龙落尾等方式，降低闸门所承受的水头。 另一方面，一些工程由于设计布置等方面的需要，泄洪洞单洞的结构尺寸较大， 为了克服闸门的限制，在泄洪洞的进口段加设中墩，把进口段一分为二，减小闸 门的尺寸，如三板溪水电站泄洪洞。 在泄洪洞进口段加设中墩，可以较好地实施闸门的设计、制造和运行，但同 时可能伴随带来中墩本身引起的水翅冲击洞顶和冲击边墙，对泄洪洞的安全运行 带来威胁。本文对泄洪洞中墩引起的水翅现象与防治进行了理论分析和模型试验 研究。 1 3 水翅现象的研究现状 1 3 1 水翅的分类 水翅一般认为是水流斜向上抛射达到最高点后又回落到正常水面的水流现 象。根据水翅的发生的原因不同，水翅大致分为以下三类： ( 1 ) 突扩突跌类侧向水翅。突扩突跌通气减蚀设施大多是直接设在高压工作 闸门后，与工作弧门的偏心铰压止水布置结合在一起。底部突跌和两边突扩就是 这种通气设施必不可少的组成部分，因而既有底部空腔又有侧向空腔便是这种通 气设施的特点。侧向突扩的作用，一是供安设弧门偏心铰压止水之用，二是使水 流形成侧向空腔而掺气，以保护侧墙免遭空蚀。突扩是形成侧向水翅的根源，突 扩愈大，水翅亦愈大n 引。 ( 2 ) 陡坡台阶式溢洪道类水翅。大底坡( 0 1 4 0 。) 台阶式溢流坝在泄洪流量 较小时也会出现水翅现象。它的表现形式是水流从溢流坝上游第一级台阶( 水翅 起始台阶) 挑起，跃过相邻一级或多级台阶后落入下游台阶瞄甚至直接跌入下游 消力池。有的研究者跚铷将此种现象称为“水流的偏折现象 。也有研究者瞄3 “刚 称之为“水舌挑跃现象”。目前，许多文献都沿用这种说法来描述阶梯溢流坝面 的水流流态。 ( 3 ) 泄洪洞进口段中墩水翅。 河海大学硕士学位论文 1 3 2 水翅的发生 b e i c h l e y m 在研究利用斜槽突扩段、掺气槽、掺气坎解决通过滑动门泄入泄 洪洞和溢洪道中的高速射流所引发的空蚀问题时，观察到边墙突扩、挑坎射流若 体型设计不善易引发水翅。美国垦务局利用比尺为l ：4 9 5 的y e l l o w t a i l 坝溢洪 道模型，研究掺气槽的形状及位置时，发现射流撞击到隧洞两侧会形成很大的水 翅。对m i c a 坝的高层泄水工程进行比尺为1 ：8 0 的模型试验研究时，在隧洞底部 两侧发生水翅。对一些泄水孔闸门下游的掺气设施进行模型试验时，同样发现边 墙两侧形成水翅3 1 。 潘水波等人。州在研究突扩突跌通气减蚀设施的水力学问题时观测到水翅冲 击弧门孔口顶部。胡去劣m 玎在对鲁布革水电站左岸泄洪洞进行水力学试验研究 时，发现由于明流段与结合段相接处突扩较大，出现左右n - 股冲击洞顶的水翅。 林可冀等人哺铂观测到了安康水电站泄水时宽尾墩闸室内产生的水翅。陈青生等人 在二滩中孔伸缩式止水闸门水力学实验中发现闸门全开时，产生边墙水翅。陈 素文等人7 1 为了克服洪家渡水电站溢洪道收缩段冲击波，发现在折流坎背水面产 生次生流水翅。王治祥钉在对突扩突跌体型与偏心铰弧门运行方式问题进行研究 时观测到，在射流冲击两边墙处均形成明显的水翅。聂孟喜等人婶州在三峡工程泄 洪深孔水工模型上对突扩突跌掺气水流的规律进行研究时，发现水流从有压段出 口流出后向四周扩散：向上扩散的水流形成水翅。 深孔弧形工作闸门的结构布置，需在门槽孔口两侧突扩、底坎突跌，以便安 装整体水封。突扩突跌体型容易引起水翅，此类情况还有天生桥一级水电站放空 隧洞深孔弧形工作闸门的门槽孔口两侧突扩、底坎突跌u o ：、龙羊峡泄洪底孔突扩 跌坎门座盯、三峡泄洪深孔突扩跌坎型门座盯。4 j 、三峡水电站排沙底孔高水头平 板闸门n 副、岩滩水电站宽尾墩新型消能工日耐、龙抬头明流泄洪洞反弧段下游侧墙 口引、吉林台水电站泄洪洞突扩掺气体型h 引、某大型水电站明流隧洞工作门掺气设 施【7 8 和由小湾水电站大型导流洞改建的泄洪洞。州。 另外，孙芦忠等口町通过模型试验用较大比尺模拟决口局部并研究了不同口门 形状、几何尺度和水头的决口模型。观察到水流入v 型口门后急剧跌落，侧向与 边界有分离，并形成水流折射，决口两侧产生水翅，纵向水面线有局部壅高。 吴建华等人n 们在研究泄洪洞进口设置中墩的设计方案时，发现中墩尾部后发 第一章绪论 生强烈的水翅现象。 1 3 3 水翅的研究现状 对于突扩突跌体型引起的水翅，观测和描述水翅现象的居多，潘水波等人对 侧边墙水翅进行了较深入的研究。潘水波等人“刚利用量纲分析方法对系统试验资 料进行分析整理，得到水翅长度、水翅高度、水翅位置的估算方法。定义沿侧墙 水股高出同一断面射流中心线水面的铅直高度为水翅高度h n 高出中心线水面部 分的水平长度为水翅长度l 水流脱离孔口侧壁起至水流回落至下游突扩侧墙的 水平距离为侧向空腔长度l 。由于孔口侧壁末端在铅直方向为圆弧形，且水流的 横向扩散沿水深方向渐增，因而水流与突扩侧墙的交线不在同一断面上。为此， 取孔口中心高程处孔口侧墙末端至水舌与突扩侧墙的交点的水平距离作为侧向 空腔长度。自跌坎起至水舌底缘回落至底板的距离，称之为底空腔长度l 。水翅 最高点离弧门孔口顶部的距离为l 。，如图1 1 所示。取水翅最大高度h 佃为特征 高度，水翅最大长度l 细为特征长度，有： = 6 7 8 ( l i l y m ) - 1 3 6 0 ( l i l i m ) 2 + 6 8 2 ( l , l , o ) 3 ( 1 1 ) 令( 1 1 ) 式的导数等于零，可知，最大水翅高度位于l ，l 舳= o 3 3 2 处。 图1 1 突扩掺气设施流态示意图 h 佃及l 抽均与来流水力因素及边界条件有关，但试验表明，突跌高度对其影 响不甚明显。在其它条件相同的情况下，有挑坎比没有挑坎所形成的最大水翅大 约要高3 倍，其相应关系分别为 河海大学硕士学位论文 h e r , , h = 0 5 6 c 咖胚t a n o + a + d ”小 。 2 ， h ，m h = o 1 9 c 啦、一t a n o + a + d ( ， ，= 。 3 ， 式中4 为挑坎高度，汐为挑坎的挑角，b 为突扩宽度，d 为突跌高度，h 为孔口 高度，b 为孔口宽度，i 为下游泄槽坡度，厅为孔i = l 出流的佛劳德数。水翅长度 关系式为 蔓：5 1 h ( 1 4 ) l 。和来流水力因素和边界条件有关，其相应关系式为 l , = 3 5 5 一望兰坠) ( 1 5 ) h 1 + 、t a n 9 + f + d ) h 、 7 将计算出的水翅轮廓加绘于孔口中心线水面的相应位置上，即可代表沿侧墙 的水面轮廓，因而可据以判断是否属于危害性水翅。如果形成的水翅过高，则应 改善通气设旆的尺寸，也可考虑在孔口两侧边墙上加设折流器。在闸门作局部开 启时，水翅高度往往会增大，但由于此时射流的水面已降低，水翅飞逸所达到的 高程，一般总是低于闸门全开时的高程。 英国的q u i n t e l a “州在概括水流掺气以防止气蚀的文章中提到，美国垦务局 建造了比尺为l ：4 9 5 的y e l l o w t a i l 坝溢洪道模型，以研究掺气槽的形状及位置。 在凹槽上游带高0 1 5 米挑坎的试验表明，空气可由射流卷入，在弯段，当射流 撞击到隧洞两侧时会形成很大的水翅。随着流量增大，这一水翅不断加大，并扩 展到隧洞洞顶。在流量较大时，水翅封住洞顶。在各种流量下，最后推荐的掺气 槽两侧的水翅没有不利现象。挑坎的微小修改，对水翅的发展反映敏感。对m i c a 坝的高层泄水工程进行比尺为1 ：8 0 的模型试验研究中，在紧接管道下游段的隧 洞底部及断面作了修正，以便保证管道下游射流底侧的空间没有水，以尽量限制 两侧水翅。美国垦务局曾对一些泄水孔闸门下游的掺气设施进行模型试验，根据 这些模型试验的结果，提出一般性的设计准则：突扩越大，沿边墙形成水翅的趋 势也越大；如把边墙的突扩做得比底部的突扩小，水翅便减弱或消失；一般说， 底部及边墙的突扩应各等于闸门宽度的1 6 及1 1 2 ，对水翅减弱适用。 第一章绪论 陈青生等人嘲3 在二滩中孔伸缩式止水闸门水力学实验中发现闸门全开时，水 流出泄水孔后，失去边墙的约束，产生横向扩散，撞击边墙，并产生水翅。水翅 的高度随着出口水流流速的增大而增大。 陈素文等人为了克服洪家渡水电站溢洪道收缩段冲击波，提出在收缩段前 沿加设倒置折流坎。为了避免在折流坎背水面形成无水区和产生次生流水翅，体 型设计时在坎末与下游新的墙之间留有门槽式缺口，由于新的直墙面比折流坎底 部的厚度凸出一定余量，这样可以使水流充满缺口，牵制了折流坎背面底部露底 和水翅形成。 王治祥汹3 在对突扩突跌体型与偏心铰弧门运行方式问题进行研究时认为，由 于压力泄水孔水流流经突扩突跌设施时，受平面突扩和立面突跌设施的影响，孔 口喷射水流冲击侧边壁和底板，在射流冲击两边墙处均形成明显的水翅，水面形 成明显对称冲击波，水翅较高时对门铰构成威胁。水翅强度可用水翅长度水蛆 和高度4 表征，二者均是突扩比4b b 和孔口流速的函数。 聂孟喜等人蚍在三峡工程泄洪深孔水工模型上对突扩突跌掺气水流的规律 进行研究时，认为由于侧向突扩，水流从有压段出口流出后向四周扩散，向上扩 散的水流形成水翅。水翅回落至正常水面后在其下游又会激起冲击波，水翅过高 也会冲击门铰。水翅最高点位置，随库水位的升高向下推移。水翅最大高度与水 翅长度，随库水位升高而明显加大，其与折流器的高度也有关，但与折流器坡度 没有明显的相互关系。 国外的研究者将陡坡台阶式溢洪道在流量较小时产生的水翅称为“溢流水 舌 。e s s e r y h o r n e r 3 3 认为当出现溢流水舌时，每一级阶梯均相当于一个跌 水消力池。h o u s t o na n dr i c h a r d s o n 墨蛆认为阶梯溢流坝台阶面的水流分成舌状 跌落水流和滑移水流，舌状跌落水流的形成与台阶的形状、尺寸及台阶的水流深 度有关。溢流水舌发生的条件为台阶的宽高比( 6 助为2 3 倍，溢洪道坡度过陡 时，水流不稳定。如坡度小于l ：0 3 5 时水流现象不易控制，采用1 ：0 5 的坡度 较好。c h a n s o n 州将台阶溢流水舌流态分成两种典型流态即：溢流水舌和分离流。 其中溢流水舌流态又分为完全水跃型溢流水舌和部分水跃溢流水舌。并给出了确 定完全水跃型溢流水舌界限的关系式，( 助= o 0 9 1 6 ( h 功一1 2 7 6 ，式中以为临 界水深，h 为台阶高度，b 为台阶宽度。 杨敏等人哺们在进行某工程溢洪道l ：2 0 水工模型试验中，详细观察了阶梯面 河海大学硕士学位论文 在各种情况下所发生的流态，描述了阶梯面水流流态演变的一般过程：多级跌水、 跳跃水舌、表面强烈紊动、典型流态。其中水舌挑跃状态是否发生，视阶梯尺寸 和高宽比而定，并非任何情况都能发生，其它流态则普遍存在。 花立峰哺n 在研究阶梯式导向消波墩的水力特性时观测到溢流堰靠近侧槽出 口处下泄水股顶冲墩头激起水翅较高，流态恶化。 冯瑞林等人阳所进行的模型试验表明：当斜坡角度为4 0 。 - - 6 0 。时，水翅存在 于几乎整个跌落水流范围内，甚至持续到过渡水流：随着溢洪道底坡的增大，水 翅存在的流量变化范围增大、高度增加：随着台阶尺寸的减小，水翅高度降低， 所存在的流量变化范围缩小。 冯瑞林缸3 3 认为：在台阶式溢流坝中出现合理的水翅现象，对其掺气、消能会 产生有益的影响，它使得水流掺气更为充分，从而减轻了发生空蚀破坏的危险。 但是过大的水翅就会使水流翻越边墙，冲刷岸坡或相邻建筑物的基础，从而可能 产生基础坍塌事故，也可能因挑射水流产生的水雾给电站设备造成危害，更有甚 者，水翅可能还会越过所有台阶，直接进入溢流坝下游的消力池，巨大的水股冲 击力使消力池底板因承受过大的压力而破坏。通过对水翅的影响因素进行量纲分 析得到水翅影响系数沙是佛劳德数府、雷诺数胎、韦伯数脆、水翅起始台阶 高度s o 以及溢流坝底坡与水平面夹角0 的函数。 韩玛等人引通过水工模型试验仔细观察发现，当下泄流量较小时，跌落水舌 与台阶竖直面之问的负压区对水舌影响较明显，并产生横轴漩涡。在水舌内外压 力差和重力的作用下，流线发生弯曲，水舌落点靠近台阶竖直面。在受到台阶水 平面的阻挡后，射流方向改变。当水流流速足够大时水股脱离台阶向前抛出形成 水翅。并将台阶式溢洪道中产生水翅的水流流态从上游到下游进一步划分为：水 翅段、调整段( 过渡段) 、掺气均匀流段。 石岩矧通过老渡口水电站整体水工模型试验研究了不同流量条件下溢洪道 闸室中墩尾部水翅的形态。综合考虑各种影响工程设计与施工的因素，改变中墩 尾部的形状，运用统计方法分析不同形状下模型试验的观测数据，得到比较理想 的适用于工程实际的改进措施。在物理模型试验的基础上引入数值分析。采用标 准k - f 双方程模型，运用目前通用的商业软件做数值计算，进行流场的数值模 拟，并分析各种闸墩尾部形式对流场的作用。 老渡口水电站脚硝原设计方案闸室中墩下游面是弧线型，在闸室出口处两孔水 第一章绪论 流交会一处，互相撞击，从而产生水翅，会对中墩和闸室的稳定性造成不利影响， 同时致使溢洪道泄槽内的水流形态很不稳定，形成菱形波。为解决此问题，将中 墩尾部加长，中墩延长的尾部体型，高度和边墙平齐，加长后的尾部顺着水流态 势，做成流线型，并在优化方案中墩出口处加上直立式直线收缩型尾墩延长段， 使水流远离中墩之后平缓交会，大大减轻了水流的相互撞击现象，从而消除了水 翅，改善了流态效果，减轻了对泄槽的冲击。 关于陡坡台阶式溢洪道在流量较小时产生的水翅的研究仅仅局限在对水流 流态的描述、发生的条件、水翅对台阶面时均压强和脉动压强变化的影响。而对 于水翅特征参数的理论计算没有涉及。 另外，泄洪洞进口段加设中墩，也会产生水翅冲击边墙和洞顶，目前关于这 类水翅的研究很少。吴建华等人汹”比较了六种中墩体型在常压状态下的水翅状 况，最终提出了一种可以有效避免水翅危害的新型中墩。 目前，数值模拟和计算技术迅速发展，模型试验相对于数值模拟来说又颇显 昂贵，所以数值模拟研究越来越受到人们的青睐。但是，对于水翅来说，存在几 个较难解决的问题：存在不规则的曲线自由水面；边界条件由于有阶梯或突 扩突跌体型的存在而变得较复杂；由于水流掺气，水翅的水流是具有一定掺气 浓度的两相流，用数值模拟研究水翅问题仍然存在很大的困难。 1 4 本文的研究内容和创新点 ( 1 ) 应用量纲分析理论分析水翅的影响因素，并在量纲分析结果的指导下， 设计模型试验探求水翅的现象和成因。 ( 2 ) 应用刚体抛射理论，在一定假设条件下，初步得出水翅长度、高度的计 算公式，根据本文的模型试验成果，通过类比方法提出了给定条件下中墩引起的 水翅长度和高度的计算公式。 ( 3 ) 传统直立式中墩引起水翅，主要是因为中墩左右两股水流，其一，在尾 部中墩附近水面急剧下凹，产生反弹，引起水翅；其二，直立式中墩在其尾部同 一断面交汇，两股水流的冲击负荷集中的同一断面上，冲击力大，产生水翅。 ( 4 ) 为了克服传统中墩尾部引起的水翅的危害，提出了两种新型中墩。针对 两种中墩分别设计若干种体型方案，对每种方案进行模型试验并分析试验结果， 9 河海大学硕士学位论文 对防治此类水翅问题有一定的参考作用。 第二章泄洪洞中墩水翅现象 第二章泄洪洞中墩水翅现象 2 1 研究对象和水翅特征 2 1 1 研究对象 本项研究以三板溪水电站泄洪洞为原型。三板溪水电站泄洪洞有压段出口高 度为9 m 。泄洪洞进口为塔式进口，进水口前沿引渠底板高程3 9 7 o o m ，进水口底 板高程4 0 0 o o m ，进口为有压短管，以中墩分隔为2 孔，短管中部设有两扇5 m x1 1 5 m 的检修闸门，末端设有两扇弧型工作门，孔口尺寸为5 m 9 m ，中墩厚 4 m ，进口内壁总宽1 4 m 。有压短管下接1 4 m x1 5 m ( 宽高) 变化至1 3 m x1 3 5 m ( 宽高) 城门洞型明流隧洞，隧洞工作闸门后设2 5 4 4 m 水平洞段，其后以抛 物线与纵坡i = o 0 8 的无压隧洞相接，泄洪洞的结构布置见图2 1 所示。 图2 1 三板溪水电站泄洪洞结构布置图 泄洪洞在洪水频率p ( ) 为0 0 1 时，设计泄量为2 9 3 6 m 3 s ，工作门处平均 流速为3 2 6 2 m s ，泄洪洞进口至挑坎末端最大水头差为1 3 7 9 9 m ，出口最大流速 达4 2 m s 。高速水流问题突出，特别是中墩可能引起的水翅危害严重，是泄洪洞 安全运行首要解决的重要问题。 2 1 2 水翅特征的描述 在研究水翅现象时，定义相关水力参数如图2 2 所示：水流对冲长度厶是两 股水流对冲的起点到对冲终点的距离，对冲起点为两股水流在中墩尾部相遇的位 第二章泄洪洞中墩水翅现象 置，对冲终点为两股水流与下游正常水面衔接处。水流对冲作用受水平面和铅直 面几何参数和水力参数的影响，为了使问题简化，以对冲长度厶综合表征由于水 流对冲引起的对水翅的各种因素；水翅长度。是水翅起点到水翅落点的距离； 水翅高度以是水翅最高点到泄洪洞底板的距离：下凹长度厶是水面下凹的起点 到水面下凹终点的距离；下凹深度比是水面下凹最深点到正常水面的距离。a 为水翅抛射角，b 为水面下凹角，是在对冲长度l d 范围内，水面下凹线与水平面 构成的夹角，0 a r c t a n ( h 。几a ) 。h o 为泄洪洞有压段出口高度。 本文所列的模型试验量测数据均为换算后的原型值，为了使研究结果具有普 遍性，分别取各几何参数与泄洪洞有压段出口高度h o ( h o = 9 m ) 的比值作为无量纲 参数。 传统直立型中墩的水流流态如图2 3 照片所示，水翅冲击泄洪洞的顶部，易 造成泄洪洞的损坏。 图2 2 水翅现象的相关水力参数示意图 图2 3 传统直立型中墩水流流态 河海大学硕士学位论文 2 2 水翅的量纲分析 2 2 1 量纲分析理论 量纲分析法不仅能帮助人们认识物理现象内在规律，帮助探求模型相似准 则，而且可用来校核公式、兑换单位、指导组织试验、减少分析试验资料的变量 数目。对从事科研技术工作的人员来说，具备清晰明确的量纲和谐概念正象应具 备清晰明确的精度和谐概念一样，是十分必要的。 无量纲量不随所选用单位的不同而改变其数值，所以要正确反映客观规律， 最好将其物理量组合成无量纲量表示的形式。一个完整正确的力学方程式应是用 无量纲项组成的方程式。量纲分析的目的之一就是找出正确的组合无量纲量的方 法。 量纲分析的基本原理刁是：凡是正确反映客观规律的物理方程，其各项的量 纲都必须是一致的，这称为量纲和谐原理。只有两个同类型的物理量才能相加减， 也就是相同量纲的量才可以相加减：反之，把两个不同类型的物理量相加减是没 有意义的，但不同类型的物理量却可以相乘除，从而得到为诱导量纲的另一物理 量。 量纲分析方法有两种，一种适用于比较简单的问题，称为雷列法。另一种是 具有普遍性的方法，称为刀定理。 任何一个物理过程，如包含有2 个物理量，涉及到n 个基本量纲，则这个物 理过程可由力个物理量组成的( 门一砌个无量纲量所表达的关系式来描述。因这些 无量纲量用万来表示，就把这个定理称为刀定理。 设影响物理过程的7 个物理量为x i ，托，则这个物理过程可用一完 整的函数关系式表示如下： ( 五，恐，而) = 0 ( 2 1 ) 设这些物理量包含有历个基本量纲。根据定理，这个物理过程可用( 门一砌 个无量纲的组合量j 表示的关系式来描述，即 f ( 乃，7 2 ，一。) = 0 ( 2 2 ) 应用刀定理的步骤如下： 第二章泄洪洞中墩水翅现象 ( 1 ) 根据对所研究的现象的认识，确定影响这个现象的各个物理量，即写成 式( 2 2 ) 。 这里所说的有影响的物理量，是指对所研究的现象起作用的所有各种独立因 素。对水流现象来说，主要包括水的物理特性，流动边界的几何特性，流动的运 动特征等。影响因素列举得是否全面和正确，将直接影响分析的结果。所以这一 步非常重要，也是比较困难的一步，只能靠我们对所研究现象的深刻认识和全面 理解来确定。 在列举影响这一现象的所有物理量中，既有变量，也有常量。如水流现象中 水的密度和粘滞系数等一般都按常量对待，但也需列举进去。又如重力加速度毋 一般也是常量，但在分析明槽水流时，却是重要的影响因素之一。 ( 2 ) 从，7 个物理量中选取1 个基本物理量，作为历个基本量纲的代表，f 一 般为3 。因此，要求的这三个基本物理量在量纲上是独立的。所谓量纲上是独立 的，是指其中任何一个物理量的量纲不能从其它二个物理量的量纲中诱导出来。 或者更严格的讲，这三个物理量不能组合成一个无量纲量。如用 m = p 丁届m n ( 2 3 ) = r 2 丁卢2 m h ( 2 4 ) 蚓= 汐丁岛m 乃 ( 2 5 ) 来表示基本物理量的量纲式，则西，恐，局不能形成无量纲量的条件是量纲式中 的指数行列式不等于零，即 ( 2 6 ) ( 3 ) 从三个基本物理量以外的物理量中，每次轮取一个，连同三个基本物理 量组合成一个无量纲的刀项，这样一共可写出( 力一3 ) 个刀项： 巧2 衰奇 1 4 ( 2 7 ) 0 乃坎乃层屐孱 所西以 河海大学硕士学位论文 乃2 两x 5 ( 2 8 ) 瓦一，2 孓万x n 万 ( 2 9 ) 式中面、b i 、c ，为各刀项的待定指数。 ( 4 ) 每个刀项既是无量纲数，即【7 r 】= r 丁。m 。 ，因此可根据量纲和谐原 理，求i ：p i 各万项的指数a ，、6 ，、c ，。 ( 5 ) 写出描述现象的关系式 f ( 乃，万2 ，死3 ) = 0 ( 2 t o ) 这样，就把一个具有1 7 个物理量的关系式简化成( 门一3 ) 个无量纲量的表达 式。如前所述，无量纲量才具有描述自然规律的绝对意义。所以，式( 2 1 0 ) 才是 反映客观规律的正确形式，而且也是迸一步分析研究的基础。 量纲分析法不仅可以在已知与物理过程有关的物理量的情况下，利用量纲和 谐原理可求出各物理量之间的基本关系式，并找出进一步研究该问题的途径；而 且可以使一些纯经验公式具有理论上( 量纲和谐性) 正确的形式；同时依靠万 定理可决定相似准数和正确处理试验数据，因此量纲分析法在水力学和模型试验 等领域被广泛应用，成为一个有效的研究手段。 2 2 2 水翅的量纲分析 为了更明确模型试验所需量测的物理量，首先需确定水翅高度以和长度厶 的影响因素，应用刀定理对水翅进行量纲分析。 ( 1 ) 影响水翅高度以的因素有：泄洪洞有压段出口流速，泄洪洞有压段 出口高度乜，水的密度p ，重力加速度g ，水面下凹深度玩，水流对冲长度。 列出j ，7 = 7 个物理量的关系式为： ( 日0 ，玩，厶，g ，p ) = 0 ( 2 1 1 ) ( 2 ) 从上述7 个物理量中选取3 个基本物理量：泄洪洞有压段出口高度尻， 第二章泄洪洞中墩水翅现象 的密度p ，代表水翅现象的动力学特征。这三者包括了l ，丁，膨三个基本量纲， = _ r 。m 。 ( 2 1 2 ) 吲= _ 丁之m 0 ( 2 1 3 ) 纠= f 3 丁m ( 2 1 4 ) 卜。 弦 铲志 亿 铲志 像忉 乃。而l d ( 2 1 8 ) 乃2 衰跨( 2 1 9 ， 为= l t 。2 岛m e 3 q 得 t三；攀02 b , 3 q 2 20m0 ：= 一 ( ) ： = qj 联立求解以上三式，得a l = l ，删，c l = o则 巧= 等 同理求得铲等乃2 百g d 死2 赢2 r 2 伊厮( 妒是流速 河海大学硕士学位论文 f c 等，等，每，击剐 忙鼻( 等，等，赢) 或 风。= 正( 等，每，r ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 同理可求得 u 咧鲁，每川 ( 2 2 4 ) 由式( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 可知，水翅高度蹦7 与参数尼忽、“历、肠有关，水翅 长度乜也与参数成乜、乜、户b 有关。 2 3 模型试验方案 2 3 1 模型试验的原则和试验模型设计 水流运动是一种非常复杂的自然现象，对各种作用力存在的情况和它们发展 的规律，至今还没能很好的掌握。设计水利工程时通常不是用数学分析的方法， 就是应用经验公式。这两种方法都有一定的局限性。比如为了解决数学分析的困 难，在推导理论方程之前需加上各种假设进行简化；在方程求解过程中，对高次 项往往加以省略。因此，根据理论公式设计后，还要经过水工试验的验证再付诸 实施，以保证工程的安全。其次，应用经验公式虽较可靠，但其系数有一定的使 用条件和范围，不能任意推广应用。事实上天然河道中水工建筑物的边界条件各 不相同，且非常复杂，须经过水工模型试验的分析研究，方可切合实际；还可进 步提高理论，指导实践。因此，可以说水工模型试验是流体力学理论和实际水 利工程中间的媒介，直受到工程界的重视。 水工模型试验就是仿照原体实物，按照相似的准则，缩制成模型，根据其所 受的主要作用力，进行试验研究。如想了解原体的实际现象和性质，或检查其水 力安全性，就可使模型重演与原体相似的自然情况，进行观测，取得数据，然后 按照一定的相似准则引申于原体，从而作出判断。 由于试验研究任务的不同，采用不同类型的模型，以满足不同的要求。当研 究河道中水利枢纽工程的总体布置时，就需要将所研究的河段和水工建筑物，按 第二章泄洪洞中墩水翅现象 一定的比例缩制成模型进行实验，这就叫做整体模型。至于二元问题，如确定溢 流坝面的压力分布，水流情况和冲刷消能等，一般截取一段制成模型，安装在玻 璃水槽中进行观测，称为断面模型。还有一些水工建筑物两边对称，水流情况也 对称，可以研究一边来代替整体，这时可采用半整体模型。 试验的进行可分为几个阶段。首先，根据设计单位提出的试验研究任务和要 求，考虑试验室内场地位置，可提供的水量，试验时间及经费等条件，再考虑保 证模型相似的几个界限。通过系列的计算比较，就可确定模型比尺。然后，根据 地形图和水工建筑物的设计图，分别选用适当的模型材料，精工制作模型。制 模过程中应随时检测尺寸，保证其应有的精度。然后选定基准点控制模型高程， 定立中线或导线，控制模型方向。模型安装完毕，须进行全面的校核测量，然后 才能试行放水，检验模型的运行工况。如有问题应及时补救。待修补完工，即可 进行与试验有关的率定工作，即预备试验和校正试验。至于专题研究，一般也可 分为几个阶段。首先是摸清本专题的国内、外水平，掌握有关主要参考文献。然 后制定研究大纲，论证开题的必要性和可能性及本课题在生产上和学术上的价 值。同时提出所需要的设备仪器和人员。当条件具备时，即可进行系统的试验研 究。最后是分析资料，补测资料，寻求其内在规律哺引。 模型试验是研究泄洪洞水翅问题较为直观、可靠的方法，虽然它与原型观测 相比存在模型相似性的问题，不可能做到原型和模型的所有物理量完全相似，但 它仍是一种再现工程实况的有效方法。 在模型制作中，几何相似很容易满足，其次，需要解决的是满足动力相似条 件，对于由胪s 方程描述的流体运动，要使模型和原型达到动力相似，则必须满 足佛劳德数( 表征重力和位移惯性力的比值矽7 刨) 、欧拉数( 表征动水压力 和位移惯性力的比值阳口乡) 、雷诺数( 表征粘滞力和位移惯性力的比值 v l v ) 、斯特罗哈数( 表征当地惯性力和位移惯性力的比值f ，汐) 这四个 相似准数同时相等，在模型试验中，要同时保证以上四个相似准数相等是很困难 的，但是在实际水流中，在某种具体条件下，总有一种作用力起主要作用，而其 它作用力是次要的。因此在模型试验时可以把实际问题简化，只要使其研究问题 起主要作用的一种力保证作用相似，使之满足该主要作用力的相似准则，并可论 证证明其它次要作用的影响力是可以忽略的，这种相似虽是近似的，但实践证明 是满足要求的。在泄洪洞水翅问题的试验中重力是主要作用力，且模型水流的雷 河海大学硕士学位论文 诺数足够大，粘性影响可以忽略，因而雷诺相似准数可以不考虑，因而只用考虑 重力相似准数相等即可基本满足相似要求。在重力作用相似的条件下，模型与原 型之间各物理量的比尺是不能任意选择的，必须遵循佛劳德准则即重力相似准 则。 进行模型试验时，在情况允许的条件下，要尽量使模型与原型相似。然而， 有时由于场地等条件的限制，往往难以使原型和模型满足相似条件，这时试验是 在不相似条件下进行的。在不相似条件下进行的试验，在试验后期要采取相应的 措施对试验进行修正。 水工模型试验的基本任务是将所要研究的水流运动现象，根据流体相似理 论，按比尺缩小制成模型对其各种水力特性进行研究，预演原体可能发生的实际 流动状态，并在模型中进行各建筑物不同布置的比较和修改，选择优化方案。按 照试验项目的要求完成模型的规划设计、制作、安装等工序后，须对模型进行试 水、糙率校正和验证试验，使模型能达到所要求的相似条件。然后通过大量的试 验操作，对模型水流中的有关各项试验数据予以测定、记录，汇总整理分析，达 到判别预期设想效果的目的。对工程实践中提出的水力学问题，可以运用模型试 验成果，对原设计布置方案的优、缺点或工程存在的不足之处得出科学的论证， 并针对存在的问题提出合理的修改意见，最终求得最佳的改进方案。所以，将模 型试验结果引申应用到原体工程，成为保证工程设计经济合理与运行安全可靠的 有力工具，而试验操作是实施水工模型试验的基本手段。 由此可见，试验操作既是整个水工模型试验过程的重