水利工程論文-臺階式溢洪道各流況的消能特性.doc

水利工程論文-臺階式溢洪道各流況的消能特性摘要：在斜坡角度=19的臺階式溢洪道上，變化其來流量、臺階高度及相對壩高等條件，對跌落水流、過渡水流及滑行水流，下游消力池形成臨界水躍的躍前、躍后消能率進行了對比試驗研究。試驗結(jié)果表明，在試驗條件范圍內(nèi)，以上三種流態(tài)的消能率差別甚小，總消能率最大可達95%左右，其中躍前的消能率占85%以上。關(guān)鍵詞：臺階式溢洪道滑行水流過渡水流跌落水流水躍消能自古以來水利工程中為了消除過堰或過壩所形成的水流能量，一般都是利用光面溢洪道或溢流壩進行挑流消能或在下游修建消力池進行水躍消能。并對溢洪道和溢流壩的局部不平整度做了嚴格的規(guī)定，以防產(chǎn)生空蝕破壞。特別是垂直水流方向的局部不平整度，則要求更加嚴格。盡管如此，溢洪道和溢流壩遭到破壞的事例仍然不少1。但近20多年來，隨著RCC施工新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，對溢洪道和溢流壩的體型設(shè)計產(chǎn)生了很大的影響。臺階式體型的溢洪道、溢流壩以其優(yōu)于光面溢洪道、溢流壩的消能率而受到世界各國水利界人員的強烈關(guān)注，并進行了大量的試驗研究2。目前，世界上已經(jīng)有幾十座中小型水庫采用了臺階式消能設(shè)施，其最大壩高已超過91m。有數(shù)座正在設(shè)計和施工的最大壩高已達100m以上，中國的大朝山及百色工程都在100m以上。關(guān)于臺階式溢洪道滑行水流和跌落水流的消能率，目前仍存在著各種不同的說法和結(jié)論，因此，有必要進一步進行探討。已往的試驗研究，坡角從2.8675的很大范圍，本文以滑行水流時阻力最大的斜坡(=19)為對象3，使其在下游形成臨界水躍，對跌落水流，過渡水流及滑行水流時的消能率進行了試驗，并對各流況的能量損失做了比較。1試驗條件試驗用水槽寬B=0.4m，水槽長L=7.4m11.5m，壩高Hdam=0.8m2.4m，溢洪道的斜坡角度=19，臺階高h=0.05m0.2m，Hdam/yc=6.1883.8，0.156yc/h2.0，躍后水深測量采用測針讀取，讀取精度為0.1mm，躍前斷面底部壓力用小型皮托管(靜壓管)量測。為進一步了解流況的變化情況，對典型流態(tài)進行了錄象和拍照。2臺階式溢洪道的水流流況分類臺階式溢洪道的水流流況根據(jù)其相對臨界水深yc/h(yc溢洪道進口處臨界水深，h臺階高度)，以及泄槽傾斜角度分成三類4。即滑行水流(Skimmingflow)，過渡水流(Transitionflow)和跌落水流(Nappeflow)，見圖1所示。當(dāng)水流流過臺階表面時，各臺階內(nèi)全部被水充填，沒有空腔存在，并在各臺階隅角和主流之間形成一個橫軸旋渦，靠近主流處旋渦旋轉(zhuǎn)方向和主流流動方向一致，這種水流稱為滑行水流(見圖2a)；處于滑行水流和跌落水流之間，在一些臺階內(nèi)總是有類似跌落水流的三角形空腔形成，而在另一些臺階內(nèi)總是有類似滑行水流的橫軸旋渦形成，并且這兩種形態(tài)沿臺階向下游交替存在于臺階表面與主流之間，定義為過渡水流(見圖2b)；在各臺階隅角與主流之間總是有一個近似三角形空腔存在，空腔下為一近似梯形靜水池，流股出現(xiàn)較大的彎曲，稱為跌落水流(見圖2c)3臺階上的斷面比能3.1滑行水流在滑行水流情況下，由于流過臺階表面的水流與假想底層(即各臺階尖端點的連線，見圖3)平行，流線不會出現(xiàn)較大的彎曲現(xiàn)象。假定其臺階上的水壓力為靜水壓力分布，令各臺階上的斷面比能為H，則有下面的關(guān)系式(1)式中：yw為垂直假想底層上的非摻氣水深，可由摻氣流體的水深進行換算，yc為溢洪道上游進口處的臨界水深(yc=(q2/g)1/3,q為單寬流量，g為重力加速度)，為溢洪道斜坡角度，本試驗中=19。3.2跌落水流與過渡水流在跌落水流與過渡水流中，流過臺階表面的水股直接沖擊臺階的水平表面，流股不再與假想底層平行，流線出現(xiàn)較大的彎曲，因此，在斷面比能中應(yīng)考慮流線彎曲的影響，式(1)變?yōu)椋?2)(3)=1,為壓力修正系數(shù)5,hw為垂直臺階水平面的非摻氣水深，u為躍前垂直斷面上的流速，用u=U(y/yw)1/8表示，U為y=hw時的流速，p為考慮流線彎曲引起的實測水壓力與靜水壓力之差，近似表示為：(4)式中：y為距水平臺階表面的距離，hp為底面壓力實測值。4臺階式溢洪道的消能率為求得臺階式溢洪道的消能率，分別取溢洪道上游(水庫)和其下游的躍前斷面(參見圖4)，應(yīng)用伯努力方程可得到：(5)這里，1為躍前斷面能量損失，H1為躍前斷面能量，Hmax為總水頭，Hdam為壩高。方程(1)、(2)分別給出了滑行水流和跌落水流時臺階上的斷面比能。對平底水躍消能情況，取H/yc等于H1/yc，則各流況的躍前斷面比能就可以表示為：(6)式中：y1為躍前收縮斷面非摻氣水深，可以從式(3)求得。由于躍前收縮斷面水深值測量會遇到一定困難，因而進一步運用動量方程(7)，通過量測躍后斷面水深y和躍前收縮斷面底部壓力水頭yp，間接求出躍前水深值y1。(7)由式(5)可得：(8)在已知壩高(Hdam)和流量(yc)的條件下，分別求解式(5)、(6)、(7)、(8)，就可以算出臺階式溢洪道的消能率。圖5是=19時滑行水流的消能率6H1/Hmax與壩高及臺階高度變化的關(guān)系。由圖可以看出，其消能率隨相對壩高Hdam/yc的增加而增大；并隨臺階高度的增大而增加。由圖還可以看出，當(dāng)h/yc0.40.5時(即yc/h22.5)，對不同的相對壩高Hdam/yc，其消能率變化很小，并逐漸趨近于一常數(shù)。如果重新整理其消能率與相對壩高Hdam/yc的關(guān)系，當(dāng)yc/h22.5時，其變化如圖6所示。這時消能率H1/Hmax只是相對壩高Hdam/yc的函數(shù)，而與yc/h無關(guān)。圖7是傾斜角度=19時臺階式溢洪道中跌落水流和過渡水流的消能率。在跌落水流和過渡水流中，由于臺階上相對水深較小，而且水深變化不大，對一定的斜坡，其過渡的形狀基本保持不變，在給定Hdam/yc時，消能率相差很小。進一步將傾斜角度19時的臺階式溢洪道各流況的消能率相比較，如圖8所示。對于一定的Hdam/yc，滑行水流、過渡水流和跌落水流的消能率1/max相差很小。這是因為在流量相對較小的跌落水流和過渡水流中，即便是流量發(fā)生變化，但主流沖擊臺階的位置變化不大，因此，在臺階上所形成的三角形區(qū)域和形狀亦變化不大，對水流的形狀阻力影響較小。另外，在滑行水流情況時，當(dāng)yc/h22.5時，形狀阻力的影響雖然較跌落水流和過渡水流較小，但由于實際流過臺階表面的水深仍然較小，水流摻氣非常充分，在臺階隅角形成穩(wěn)定的，而且很強的旋渦，并在臺階外邊緣附近形成隨機性的空氣層流態(tài)。雖然各流況時臺階上的能量H1中其靜水頭和動水頭的比例有所不同7，但臺階上的