掺气分流墩台阶式溢洪道的水流流态和流速特性.docx

1、西安理工大学学报JournalofXi'anUniversityofTechnology（2002）Vol.18No.171文章埔号，1006-47102002JO1-UO71-O5掺气分流墩台阶式溢洪道的水流流态和流速特性'郑阿漫】，张志昌、杨永全'刘亚菲、戴光晴2（1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安71S48.2.四川大学）摘要：通过模型试验,研究了掺气分流嫩台阶式溢洪道的水流流态和流速特性。结果表明：此种消能工能改善台阶式溢洪蕴的水流流态，大幅度地减小水流流速。在试验范国内.掺气分流域台阶式溢洪道的流速皎相应光滑溢洪道减小了18.4%68.3%,较相应的台阶式

2、溢洪道降低,了6.9%54.0料,关键词：掺气分流墩台阶式溢洪道；水流流态；流速中图分类号：TVU1文献标识码：AWaterFlowRegimeandFlowVelocityBehaviorsinSteppedSpillwayswithAeratedPiersZHENGA-manLZHANGZhi-chang：.YANGYong-quan'.LIUYa-fei1,DA1Guang-qing:1.Xi'anUniversityofTechnology.Xi'an710048.China】2.SichuanUniversity）Abstract：Waterflowregim

3、eandflowvelocitybehaviorsinsteppedspillwayswithaeratedpiersarestudiedviathemodeltests.Theresultsindicatethatthiskindofenergydissipationfunctioncanimprovethewaterflowregimeinthesteppedspillwaysandreducetheflowvelocitybyawidemargin.Withintherangeo（modeltests,theflowvelocityinthesteppedspillwayswithaer

4、atedpierswasreducedby18.4%68.3%incomparisonwiththatinthecorrespondingsmoothspillwaysandby6.9%54.0%incontrastwiththatinthecorrespondingsteppedspillways.Keywordststeppedspillwayswithaeratedpiers；waterflowregime；flowvelocityRCC筑坝技术的进步，使得消能效果显著的台阶式溢洪道倍受工程界的阪目.文献口的研究表明，此种浅洪道可缩短10%30虻的消力池长度节省5%10%的工程投资，所需

5、的消力池长度仅为传统高坝消力池长度的50%,然而，当流置达到一定的界限时，台阶式溢洪道已不掺气，台阶完全淹没在清澈透明的水体中，变为名副其实的大粗糙度，且在台阶水平段和竖直段确实存在负压。因此,在台阶式滋洪道上增设掺气消能设施，在掺气的同时增进消能效果是必要的。掺气分流墩台阶式溢洪道是将掺气消能效果良好的掺气分流墩用于台阶式溢洪道，这样既可以增大台阶式溢洪道水流的掺气浓度，又可以增加台阶式淡洪道的消能效果。本文论述了掺气分流嫩台阶式溢洪道的水流流态和流速特性，从而证明掺气分流墩台阶式溢洪道的确有增加掺气和消能的功效。1试验模型及水力条件试多模型由上游水库、WES曲线堰、光滑斜坡段、台阶段和矩形

6、水槽组成。溢流堰堰面曲线方程收稿日期：2001-04-10基金项目；四川大学高速水力学国家重点实验室资助项目（9911）.作者简介I军阿漫（1974-）,女，西安浬工大学硕士生，现在北京防化工程学院。72西安理工大学学报<2002)第18卷第1期为y/fc=0.5(z/c)f，设计水头H,=20cm,溢洪道宽25cm,光滑段长145cm,台阶段由14级高5cm的台阶组成，末端由与溢洪道等宽的矩形水情相连，试验中，台阶式溢洪道坡度为30。和51.3°,在距光滑斜坡段首端42cm处设掺气分流墩，其布置如图1所示。图2为掺气分流墩体型的尺寸图，该体形是根据文献4提出的掺气分流墩体型设

7、计的°30。的溢洪道上掺气分流嫩的收缩比为0.5,而51.3°的溢洪道上掺气分流墩的收缩比则为0.2。图2轸气分流垠体型尺寸图试验时，流量范围在5.2-73.74L/s之间.相应溢流堰上游进口水头为528cm。未设掺气分流墩时，拟设墩处的佛氏»Frc=2.413.48；设墩后由于该处水深增大，/>=1.481.85°为了了解台阶式溢洪道的减速消能特性，观测了不同来流情况下棒气分流墩台阶式溢洪道的水流流态和光滑斜坡段始、末端，距斜坡始端50cm处及1、6、9、12、14台阶中线和收缩断面不同位置处的流速.2流态描述2.1未设掺气分流墩时的水流流态未设

8、掺气分波墩时，由溢流堰出来的水流,先流经台阶段以前的光滑斜坡段，其水流流态为典型的光滑陡坡溢流流态；水流进入台阶段后，随着流域的变化呈现出跌落水流和滑行水流两种不同的水流流态，如图3所示。那阿漫等：掺气分流敏台阶式溢洪道的水流流态和流速待性图3台阶段的水流流态图4掺气分流墩水流流态由图3可以看出：小流量时出现自由表面不连续的跌落水流，其水流流态象溢流小跌水一样，由上一级台阶跌入相邻的下一级台阶.在跌落过程中掺入了大械空气。试验中由于台阶的长度短,来流最小，出现的为不完全水跃的跌落流态随着流量的增大，跌落水流向滑行水流过渡flEsscryandHorner认为.当dc/h,>Q,8时为滑行

9、水流，而当djhx<0.8时则可能出现跌落水流。而文献5则提出&/如大于下式确定的临界值时将出现滑行水流，am=1.057-0.465知/<1)试验在30。台阶式溢洪道上，当dt/h,=0.7069(H。=5cm)时观察到跌落水流.在g20.0224m7<s-m)UJht0.7427)时为滑行水流。而在51.3。的台阶式溢洪道上出现滑行水流的下限为7=0.0115m3/(s-m)(/知=0.4762)。滑行水流时，水流被台阶外缘连线形成的虚拟面分为上、下两个区域。在虚拟面以上.具有连续表面的水流呈恒定流流过台阶表面；而在虚拟面以下主流与台阶形成的三角形空间内则为旋滚水

10、流。试验发现在一定坡度的台阶式溢洪道上，台阶段水流的掺气程度随单宽流量的增大而减小.小流量时，水流沿台阶面有较大的揍气，水流呈白色水气状流向下游，在台阶的三角形区域内有明显的气泡；随着流量的增大,水流的拶气14减小,当流量大到某一定值时(本试验中<20.2544m3/<s-m),水流几乎不掺气.即使在三角形的漩滚区亦看不见明显的气泡。因此,以往文献提出的滑行水流是以大量掺气为特征的说法应该考虑到坡度及流量的范围，超过一定的界限，水流已不掺气。2.2掺气分流墩台阶式溢洪道的水流流态关于掺气分流域的水流流态文献2,4已有详细的介绍，这里只介绍掺气分流墩台阶式浅洪道台阶段的水流流态。图4

11、为掺气分流墩水流流态。由掺气分流墩射出的水流落入溢洪道台阶段时，既有分流墩底坎的挑射水流，也有受掺气分流域及侧墙挑坎彩响的充分扩散掺气水流。前者挑射水流落入光滑斜坡段时变成急剧下泄的咕壁流，后者则以不同的抛射角射向台阶式溢洪道。由于掺气分流墩本身具有充分扩散、掺气的特征，挑流水舌落入台阶段时挟带了大量的空气.而水流与溢洪道碰撞时亦混掺、反弹，在此过程中又卷入了空气，这使得掺气分流域台阶式溢洪道上水流的掺气程度远大于相应单纯的台阶式溢洪道，另外,掺气分流墩的扩散水流落入台阶段后，当流缺和坡度较小时，落点水流并不以滑行水流出现，而是先为跌落水流、然后逐渐过渡到滑行水流；随着流域的增大.过渡段缩短，

12、到达某一流量时(试验中7>0.2544m'/(sm)过渡段消失，台阶段宣接以滑行水流出现；而坡度较大时，挑射水流很快过渡到滑行水流。2.3台阶式溢洪道与挣气分流墩台阶式溢洪道流态的比较台阶式溢洪道和掺气分流墩台阶式溢洪道水流流态比较见表1。表中还列举了文献5的计算结果。可以看出，掺气分流域台阶式溢洪道出现滑行水流的流量比单纯的台阶式溢洪道上的流械要大。值得-提的是，掺气分流墩台阶式法洪道在一定的流M：范围内可能出现两种琉态，即在某几级台阶上是一种流态，而在其余几级台阶上则是另一种流态，74西安理工大学学报2002)笫18卷等I期表】台阶式海洪道与掺气分海墩台阶式溢洪道水流流态比较

13、实验参致滑行水源的djh,下板理论流态实际流态坡度/,)Q/（L/s）djh、文献5Essery无分流域有分流墩收缩比12.901.3u。.？90.8滑行滑行9台阶以上跌落水流0.529.823.260.790.8滑行滑行7台阶以上趺落水旅0.53D46.763.U60.790.8m行滑行3台阶以上跌落水流0.563.603.750.790.8带行滑行滑行u.513.744.140390.8滑行滑行滑行0.S12.901.300.480.8滑行滑行台阶段始端有跌落0.2r1o29.822.260.48U.8滑行沿行W行0.246.763.D60.480.8滑行倒行滑行0.263.603.750

14、.480.8滑行滑行m行0.23掺气分流墩台阶式溢洪道的流速特性3.1台阶式溢洪道台阶段流速特性V/(m's)'b'H：=J5cm时台盼6忙成藏潮血角=20ccn时台盼】更滋速眇而分倍图5、6分别是未设掺气分流墩时台阶式溢洪道流速断面分布及沿程变化。由图可以看出：任一断面处的流速分布是底部小、上部大，但由于表面张力的影响在水流表面有减小的趋势；同一测置断面处，流速随上游来流量的增大而增大。光滑斜坡段流速沿程增大，台阶段流速在初始掺气点以前沿程增大，在初始搀气点以后沿程减小。员然在流,较大时台阶上已为不掺气水流，但由于台阶的摩阻作用，台阶段的流速仍有减小趋势，但随着流量的

15、增大流速减小的趋势有所减缓(见图6b、c)。图5台阶式溢洪道断面流速分布实际上，滑行水流时，台阶式溶洪道利用台阶形成均匀粗.糙面,在减小沿台阶而下的水流流速的同时也诚小了高速水流的巨大动能，起到了消能减速作用。Xtl.H,20cm时台阶式溢濯遭流速沿耍变化xil.<b)H,-35cm时台阶式织洪埴於速沿程变化<cW.«28cm时旨阶式溢洪道流II沿程变化图6台阶式溢洪道族速沿程变化32掺气分流墩台阶式溢洪道台阶段流速特性加掺气分流墩后，台阶段的水流剧和掺气，流速用毕托管无法测量，实验仅测箱坡度为30。的掺气分流墩台阶式溢洪道台阶内的实体水深，从而得到棒气分流墩台阶式溢洪道

16、台阶段的平均流速。图7是不同形式的溢洪道流速沿程变化比较.其中.叽、匕分别是根据实测的实体水深求得的台阶式溢洪道及掺气分流维台阶式溢洪道台阶段不同断而处的平均流速；Ug是台阶式溢洪道断面处实测的最大流速；虬是根据光滑溢洪道水面线求得的平均流速，部阿it等：擂气分渡墩台阶式浅洪道的水流流态和施谩特性7。由图7诃以看出：台阶段流速减小的程度沿程增大，即流速的减小是逐级台阶的累积效应，这与消能效果随台阶阶数而增大的研究成果相一致；台阶段减小流速的作用随流.后的增大而减弱在试验范围内，台阶式溶洪道台阶段的流速较相应光滑溢洪道减小了9.4%64.9%;掺气分流墩的使用进一步增大了台阶段的诚速作用，掺气分

17、流墩台阶式溢洪道的流速较相应光滑溢洪道戒小了18.4%68.3%,较相应的台阶式溢洪道降低了6.9%54.0%。(a>H"=20cm时同形式企产道波速比”,b，H，-25.m时不同形式祖供谒旅速比&图7不同形式的溢洪道流速沿程变化也较由以上试验结果可以看出：掺气分流墩台阶式溢洪道可以大幅度的降低单纯台阶式溢洪道的流速，因而有较强的消能减速作用。4结语本文通过模型试验，研究坡度为30。和51.3-的台阶式溢洪道设墩前后水流流态和30°掺气分流墩台阶式溢洪道的流速特性,结果表明：U)未设掺气分流墩时.由溢流堰出来的水流流经台阶段以前的光滑斜坡段时.水流流态为光滑陡

18、坡溢流流态；水流进入台阶段后，随着流斌的变化呈现出跌落水流和滑行水流两种不同的水流流态C(2) 设墩后，落人咨洪道台阶段的水流有分流傲底坎的挑射水流,也有受掺气分流墩及侧墙挑坎影响的充分扩散掺气水流。由于掺气分流歌水流本身具有充分扩散、掺气的待征，挑流水舌落入台阶段时挟带了大黄的空气.而水流与溢洪道碰撞时亦混掺、反弹，在此过程中又卷入了空气.这使得掺气分流墩台阶式溢洪道上水流的掺气程度远大于相应单纯的台阶式溢洪道。(3) 设墩前、台阶式溢洪道在同一测揪断面处，流速随来流的增大而增大.流速沿程变化规律是初始掺气点以前水流流速沿程堵大，初始掺气点以后沿程威小；流域较大时，台阶式滋洪道仍有一定的减速消能效果，这是光滑溢洪道无法比拟的。(4) 设墩前后，流速的减小是逐级台阶的累积效应，但台阶段减小流速的作用随来流信的增大而减弱.在试验范围内,台阶式溢洪道台阶段的流速较相应光滑溢洪道诚小了9.4%64.9%；掺气分流墩台阶式溢洪道的流速较相应光滑溢洪道减小了18.4%68.35较相应的台阶式溢洪道降低了6.9%54.0%,可见掺气分流墩台阶式溢洪道有更好的消能减速作用。参考文献：1 Peyras.Flowandenergydissipationoversteppedgabionw