与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性.docx

1、【水利水电工程】与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性梁宗祥I,尹进步I,卢红之，郑治2,龚红林I(1.西北农林科技大学，陕西杨凌712100；2.中国水电工程顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵州贵阳550002)摘要：通过工程原型与模型试验资料的美比分析，结合台阶面水流流态特点，对与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性进行了研究°研究结果发现，台阶面坡比及台阶高度对台阶面水流近底流速分布影响很小，近底流速随台阶位置在下游尾水中深度的增加而减小，在尾水而以上，近底流速沿程变化很小，其值仅与堰上水头和宽尾墩形式有关。堰面采用Y型宽电嫩时，台阶面近底流速为21.523.5m/s；采用X型

2、宽尾墩时，近底流速为19.5-21m/s；无嫩时，近底流速为1619m/80关键词：水力学；台阶面水流；宽尾墩；近底流速中图分类号：TV131.3文献标识玛：Adoi:10.3969/j.issn.1000-1379.2009.08.0371台阶过流研究概述随着碾压混凝土(RCC)筑坝技术的发展，台阶溢流坝已在许多工程中得以应用和实施。国内外学者对台阶溢流坝的水力特性进行了较为深入的研究和分析.获得了些成果:第一,随着水流单宽流愤的增加，台阶面先后出现消能率比较高的完全逐级跌流流态、跳跃越级跌流流态、掺气与消能率比较高的滑溢流流态及掺气与消能率逐渐减小的完全滑溢流4种流态；第二,随着单宽流量的

3、增加，台阶面对水流的消能率呈现下降的趋势，单宽流R小于40m3/(sm)时,消能率可高达70%以上,单宽流量大于40mJ/(sm)时，消能率逐渐减小;第三，关于台阶面水深、流速、压强等水力参数的变化，各种认识之间有不同的差别。上述研究成果一般都局限于小单宽流量:或无宽尾墩的范围，伴随着我国水东、大朝山、索风营等电站的建成运行,结合宽尾墩消能技术的应用，台阶单宽过流量得到大幅度提高.从传统的40n?/(sm)已经发展到200m7(sm)以上思林工程将台阶单宽过流量提高到360m5/(sm)，与此同时，宽尾墩消能技术也得到了迅速发展。随着台阶面单宽流扇增加与宽尾墩消能技术的发展，关于台阶面水流特性

4、的研究资料也越来越多。但比较系统的研究资料多集中在普通台阶过流面的水力特性方面，而台阶面过流能力的迅速发展,又主要得益于台阶与宽尾墩的联合使用。因此，非常有必要对宽尾墩与台阶面联合过流形式的台阶面水流特性进行研究。在台阶面水流特性研究方面，由于台阶面相当于普通过流面的群体加糙.因此对台阶面水流空化与减小空化的研究显得非常重要，而台阶面水流近底流速、掺气浓度及台阶压强分布，是决定台阶面水流空化的主要水力参数。因此,研究工作重点应该是这几个参数的变化及发展剧L律，笔者通过试验对其中的近底流速分布规律进行了研究。2试验简况表孔宽尾墩与台阶坝面联合使用时，台阶面坡比一般为1：0.81：0.7,且台阶高

5、度通常是碾压混凝土碾压层厚度的34倍,因此笔者主要对坡比1:0.7、1：0.75和台阶高度0.9J.2m时不同参数组合构成的台阶面水流近底流速规律进行研究。试验主要在索风营工程1：50表孔断面模型上进行，水力条件也以索风营工程表孔水流条件为主。由于大朝山水力参数与索风营很接近，因此参考了部分大朝山工程的模型与原型资料。文献7将靠近水流-侧的台阶角顶点连线称为台阶虚拟底面，这里直接称为台阶面。模型近底流速测试位置距离台阶面约0.150.2cm(相当于原型7.510cm)，分别在4个不同高度位置的台阶面布置洌点。3与X型宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速分布31流态分析X型宽尾墩是在传统宽尾墩基础

6、上，结合台阶面过流特点形成的一种新型消能工形式，其下开口体形的突出特点，使宽尾墩大单宽泄洪与台阶面小单宽泄洪的各自优点得到了较好地融合，因此其泄洪流景可从小到大任意变化。小流量泄洪,水流完全通过下开口以横向展开的二元水流沿着坝面下泄，合阶面呈现跌流或初期滑溢流流态,水流掺气量与消能率都比较高；当下泄单宽流量超过40m3/(S-m)时,部分水流仍以横向展开的二元水流形式沿着坝面下泄，在台阶面呈现初期收稿日期：2009-03-18基金项目：中国水电硕伺集团科研课题(CHC-KJ-2004-05-01)。作者简介：梁宗禅(1964)，男，陕西宝鸡人，布敏工程师，主奏从事水工水力学研究工作°

7、E-mail:IkngzxC滑溢流流态,而另一部分水流则以宽尾墩收缩射流的形式进入下游，在收缩射流形成初期通过宽尾墩的水流单宽流量比较小，不能形成完全纵向拉开水舌;随着泄鼠的进一步增加，通过宽尾墩的水流逐渐形成比较稳定的完全纵向拉开水舌。通过上述流态分析可以看出，随着流量的增加，在台阶面出现的3种流态中,跌流与初期滑溢流流态台阶面近底水流流速一般都比较小，不会对台阶面产生任何破坏,而不完全宽尾墩收缩射流与完全宽尾墩收缩射流流态水流近底流速与压强都比较大，因此将这两种流态的水流近底流速分布作为研究的重点。3.2近底流速分布在索风营工程体形与水流条件下，台阶面近底流速分布规律见图lo其中台阶面总高

8、度约为60m,测试台阶的高度为10-50m,测试总水头约100m,堰上水头为19.5m,下游尾水深度为2040mo若定义台阶高度为力，台阶面坡比为i,下游尾水深度为'堰面采用X型宽尾墩,则从图1不同台阶体形及不同尾水变化规律中可以看出，保持台阶面坡比与高度不变，只变化下游尾水深度时，台阶面近底流速随着下游尾水位的升高而不断下降，如图1(a)所示，特别是尾水深度为37m时,在水面以下大约27m处的台阶面水流受尾水水垫的消能作用，其近底流速已不足10m/so坡比均为1:0.75*1.2m、-/rxl.2m、h=L2m、504030台阶位置高度/m(a)504030台阶位置高度/m(a)(b

9、)-农1.2m、i=l：0.7.h=0.9m、i=l：0.7605040302010台阶位置奇度/m(c)图IX型宛尾墩台阶面近底流速分布图1(b)与(c)是下游尾水深度低于所有测点时，台阶面水流近底流速沿程分布规律，可以看出，若保持上、下游水位不变，改变台阶高度与台阶坡比，则台阶面近底流速变化很小，即X型宽尾墩下台阶面近底流速分布规律受台阶面坡比与台阶高度变化的影响很小，而且沿程流速分布也基本不变。出现这一分布规律的主要原因是台阶初始段几个脱空的空腔为台阶面水流全程补气，而水流在台阶的扰动下紊动强烈，保证了沿程掺气不会快速溢出，因此在尾水位以上的台阶面近底层能够形成一气水混合层，而这一混合层

10、又相当一虚拟底层，在虚拟底层内流速沿程不变。4不同宽尾墩台阶面水流近底流速分布在保持下游尾水深度、台阶面坡比及台阶高度不变的条件下,对不同宽尾墩体形的台阶面近底流速分布规律进行了测试分析。台阶面近底最大流速分布规律见图2,可以看出,垠面无宽尾墩时.台阶面近底流速最小，最大值不足22m/s；堰面设置Y型宽尾墩时，流速较大，最大fi*达到27mA；堰面设置X型宽尾墩时，近底流速处于两者之间，最大值约为22m/s0从总的分布趋势看,随着堰上水头的增加，近底最大流速值均呈现逐渐增大的趋势，其中Y型宽尾嫩在中低水头时，增幅比较大，高水头增幅比较小；而无墩时，中低水头增幅比较小，高水头时,增幅比较大;X型

11、宽尾墩增幅始终比较小。对上述测试结果进行分析发现，台阶面水流近底流速主要与台阶面过流形式密切相关。测试中职上最小水头为6m,即台阶面形成完全滑移流，无跌状水流出现。无宽尾墩时，堰面过流基本呈现堰流特征，台阶面水流也呈现一种明梁自由流特征;中低水头时，台阶面相当于整体加糙,近底水流紊动比较强烈，掺气量也比较大，因此流速增幅比较小;而随着堰上水头的增加，掺气与紊动作用相对减弱.流速随即快速增加。使用Y型宽尾墩时,受宽尾墩作用，闸室水流横向收缩、出闸室后纵向拉开，尤其是靠近坝面处，水流出宽尾墩后，呈现一种压力射流特征,水流在宽尾墩中间所具有的高压势能出宽尾墩后都被转换为动能，加速作用非常明显，因此近

12、底流速明显高于无墩时流速。随若堀上水头的增加，宽尾墩纵向拉开水舌逐渐形成,台阶面对水流的扰动作用逐渐减弱，因此中低水头时,近底流速增幅比较大;而高水头时，台阶面对宽尾墩水流扰动作用已经非常小，流速增幅也随之减小。与Y型宽尾墩的完全收缩相比,X型宽尾墩底部开口使近底水流横向展开,基本保持部分堰面水流特征，而旦更接近于无墩时的堰流特征，因此近底流速比Y型宽尾墩小一些，但比无宽尾墩时大一些。结合前面X型宽尾墩水流形态分析可以看出，中低水头时.X型宽尾墩近底水流具有无嫩时的特点,其近底流速增幅就小一些；高水头时，底部水流乂具有宽尾墩水流特点，近底流速增幅仍比较小,因此X型宽尾墩时，台阶面水流近底流速增

13、幅始终比较小。5原型流速的估算大朝山工程堰上水头、总水头及台阶坝面坡比与此处分析的索风营工程基本相同，只有台阶高度和堀面宽尾墩形式不同,大朝山工程堰面采用Y型宽尾墩，台阶高度为】m,而索风营工程原型采用X型宽尾墩，台阶高度为1.2m,前述模型试验测试台阶面近底流速分析结果表明，台阶高度分别为1.2m和0.9m的台阶面其近底流速分布基本相同，因此台阶高度为1m的台阶面,其近底流速分布应该与台阶高度为1.2m的台阶面基本相同。若将索风营工程中的X型宽尾墩改换为Y型宽尾墩，则两个工程台阶面近底流速应该基本一样。上述近底流速都是在模型上距台阶面0.15-0.2cm处(相当于原型7.510cm)测试。而

14、大朝山原型测试发现，沿水深方向，一般流速都呈现底部小、中上部大的分布规律，这一结果与文献7在不同坡比的台阶面分析结果完全一致。对大朝山原型测试结果进行分析发现，在距台阶面8cm处,流速基本在23-27m/s变化，在距台阶面3cm处，流速一般在2123m/s变化，比8cm处平均小约13%。将此处模型测试中相当于原型7.5-10cm处流速进行统计发现，在24-27m/s变化，其最值与原型实测值基本一致。如果依据大朝山工程原型8cm与3cm处流速的关系对索风营工程3cm处流速进行估算，则与X型宽尾墩联合使用的台阶面近底流速值(原型3cm处)一般应为19.5-21m/s；与Y型宽尾墩联合使用时，该位置

15、流速应为21.523.5m/s；堰面无墩时，该位置流速应为1619m/s,这一结果仅比文献7在坡比为1：0.84的台阶面所分析结果略高一点，但总体规律仍然相同。6结语模型试验资料统计分析结果表明：与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速分布主要与下游尾水深度及堰面采用的宽尾墩形式有关，受台阶面坡比及台阶高度的影响很小，台阶在水下深度越大，其近底流速越小，如果没有尾水的影响，台阶面近底流速沿程基本不变。堰面使用Y型宽尾墩时台阶面近底流速比较大，堰面无嫩时近底流速较小，堰面采用X型宽尾嫩时近底流速处于两者之间。通过与原型资料的类比分析发现，与Y型宽尾墩联合使用的台阶面水流,在距离台阶面3cm处，流速最

16、大值为21.5-23.5m/s,与X型宽尾墩联合使用时，该处流速最大值为19.521m/s,无墩时为1619m/s。参考文献：1 吴宪生.台阶式溢流坝的应用评述J.四川水力发电,2005.24(1):22-26.2 林可M.WiZ,邓毂国.大朝山水电站RCCitt流坝宽尾娥-台阶式坝面联合消能工的研究及宛用JJ.水利水电勘测设计.2003(1):1-14.3 梁宗祥.尹进步.刘韩生.等.宽尾墩与台阶坝面联合消能工的试脸探索J.长江科学院院报,2003(6)：3-5.4 尹进步.梁宗祥.龚红林.X型宽尼廓花用与发展的状巍研究JJ.水力发电学报,2007(4):36-39.5 尹进步.X页宽尾电+

17、台阶坝面联合消能技术物理模酿试验研究报告RJ.场凌：水利部西北水利科学研究所实验中心.2006.6 尹进步.大朝山水电站表孔凌压水力模型试验报告R).析凌：水利部西北水利科学研究所实验中心,2004.7 RobertMB,WilliHHTwo-PhaseFlowCharacteristicsofsteppedspillwaysJ-JournalofHydraulicEnjpneeringASCE,2003(9)：661-670.【责任编辑张华岩】(上接第78页)剪切波的波长按下式计算：L=5(6)式中：匕,为管道埋设深度处土层的剪切波速，取250m/s;rg为管道埋设场地的特征周期，取0.4s。乾切波行进时管道埋深处的土体最大水平位移标准值按下式计算：式中:Kh为水平地震加速度与重力加速度(g)的比值，根据我国主要城镇抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组，大同、朔州及辖区属第一组，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g,即Kh=0.15。将上述各值代入式(2)式(4)得=14.69mm。2半个剪切波长度范围内管道接头总数几按下式计算：式中】p为管道单根管长度。3管道抗震矣算填埋地下圆形管道的地震作用，一般仅考虑剪切波行进时对不同材质管道产生的变位或应变，可不计算地震作用引起管R道内的动水压力，则赤加3叩=17.6m