寬尾墩在溢流壩面上的合理位置

1、寬尾墩在溢流壩面上的合理位置    摘 要：從消能效果的角度選擇一系列合理的收縮比和收縮角，找出不同始擴點、不同收縮比的寬尾墩在不同溢流水頭時流量系數(shù)的變化情況,在不影響過流量的前提下，得出不同收縮比所對應(yīng)的最佳始擴點位置，為寬尾墩的體型設(shè)計提供參考。綜合分析溢流堰的堰面動水壓力、水面曲線隨堰上實際溢流水頭、寬尾墩始擴點的變化而變化的情形，找出WES曲線型實用堰的瘦身依據(jù)。關(guān)鍵詞：寬尾墩；收縮比；流量系數(shù)；動水壓力；水面曲線 中圖分類號：TV64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2007）08-0198-03 1 寬尾墩水工模型試驗裝置及試

2、驗組次 1.1 實驗裝置 實驗在寬15厘米，高75厘米的平底玻璃槽中進行，溢流堰采用標準WES曲線型實用堰，溢流堰寬B0=15cm,設(shè)計堰上水頭 ,堰上游曲線采用三圓弧段，下游曲線段采用y=(x/20)*1.85,下游斜坡段采用0.7的斜坡。由于 ,為高堰。在沖坑后的下游渠中設(shè)置一三角形薄壁堰，用測針測出三角形薄壁堰的堰上水頭H，利用計算出整個明渠中的過流量；同時在溢流堰上游（34）溢流堰堰上水頭處設(shè)置一測針，測出實際堰 1.2 實驗分組介紹 本實驗選用了收縮比為0.4、收縮比為0.533共6種體型的寬尾墩，平尾墩及各種寬尾墩的參數(shù)如表1：平尾墩的體型如圖1，各種寬尾墩的體型如圖2； 寬尾墩為

3、T-15-8-A，T：表示閘墩；15表示寬尾墩起點寬度：8表示寬尾墩出口寬度，A表示始擴點的位置是否相同。 2 研究內(nèi)容及方法 2.1 研究內(nèi)容 (1)改變堰上溢流水頭，測出平尾墩在不同堰上溢流水頭的流量系數(shù)，下游堰面動水壓力，水面曲線。 (2)改變堰上溢流水頭，分別測出以上6種寬尾墩在不同溢流水頭時的流量系數(shù)，下游堰面動水壓力，水面曲線。 2.2 研究方法 研究方法主要是水工模型實驗，數(shù)值分析時采用了大量的圖、表，分析過程中大多數(shù)物理量用無量綱的量來表示。如(m、H/Hd、)及始擴點位置參數(shù)(Y/Hd)等。 3 實驗成果與分析 3.1 流量系數(shù)分析及結(jié)論 通過實測數(shù)據(jù)得出平尾墩及不同寬尾墩的

4、流量系數(shù)與堰上溢流水頭之間的關(guān)系曲線如圖3。 2 對流量關(guān)系曲線的分析 （1）對于寬尾墩T-15-8-A、T-15-6-A，在H/Hd1.0時，過流量與平尾墩的過流量相同，在H/Hd1.0時，過流量均小于相同溢流水頭下平尾墩的過流量，且過流量隨著水頭的增加而減??；H/Hd=1.35時，平尾墩的流量系數(shù)m=0.5015（從擬和方程求得）;寬尾墩T-15-8-A的流量系數(shù)m=0.4934,則其最大減幅=（0.5015-0.4934）/0.5015=0.0162=1.62%（較小，可忽略）。寬尾墩T-15-6-A的流量系數(shù)m=0.4737,則其最大減幅=（0.5015-0.4737）/0.5015=

5、0.0554=5.54%。因此以不影響過流量為前提，寬尾墩T-15-6-A的水頭范圍為H/H （4）當始括點較靠前時，兩種收縮比的流量系數(shù)在較小水頭時就已受到影響，其原因是堰頂與始擴點的高差較小。隨著始括點后移，Y/Hd增加，當始擴點始擴點相同時，收縮比大的寬尾墩時在較高水頭過流量才受到影響。 通常Hd=(0.750.95)Hmax,則Hmax=（1.011.33）Hd；Hmax為堰上最大溢流水頭。取堰上實際溢流水頭H=1.35Hd,若此時寬尾墩的過流量剛好與平尾墩過流量相同，則對應(yīng)的始擴點為最佳始擴點。 相同始擴點不同收縮比的寬尾墩過流量不受影響的水頭使用范圍。欲使H=1.35Hd時，寬尾墩

6、的過流量與相同條件下的平尾墩的過流量相同，最佳始擴點Y/Hd=0.5時對應(yīng)的=0.53；Y/Hd=0.3309時，=1.08（由于為寬尾墩1，此點去掉）。Y/Hd=0.1387時，=7.2（由于為寬尾墩1，此點去掉。以上三點由擬合方程求得）；由Y/Hd=0.3309及Y/Hd=0.5內(nèi)插求出最佳始擴點Y/Hd=0.4155時對應(yīng)的=0.8062。由以上分析可得出下表： 3.3 動水壓力和水面曲線分析及結(jié)論 對于平尾墩而言，溢流壩面下游曲線段的動水壓力隨水頭的增加有所減小，最大水頭時，下游曲線段呈現(xiàn)負壓。斜坡段的動水壓力隨著上游水頭的增加而有所增加，段末最大。 加設(shè)寬尾墩后，溢流壩面下游曲線段的

7、壓力均增加，遠大于相同水位下寬尾墩對應(yīng)點的壓力值。而下游斜坡段的壓力明顯降低，從水面曲線可看出溢流水舌已脫離堰面。 從溢流堰下游曲線前段的壓力大為增加這一點，我們可得到啟示：在曲線型實用堰剖面形狀的確定中，堰頂下游的曲線形狀是關(guān)鍵，常根據(jù)矩形薄壁堰自由溢流時水舌下緣面的形狀設(shè)計。若設(shè)計水頭下，水舌下緣與堰頂曲線間有一定空間，水舌下緣脫離堰頂，脫離部分的空氣不斷被水流帶走，壓強降低，堰面出現(xiàn)負壓，形成所謂真空剖面。真空剖面堰由于壓能減小，動能增大，過堰流量也相應(yīng)增大，但因堰面壓強較小，易發(fā)生氣蝕破壞，而且堰面可能受到正負壓力交替作用，造成水流不穩(wěn)，所以真空剖面堰很少用。若設(shè)計水頭下水舌下緣與堰頂

8、曲線完全吻合，堰面不會出現(xiàn)負壓，又不會頂托下泄水流，有較大的過流能力，是理想的堰型。但在實際施工過程中，對這一段曲線的施工質(zhì)量未達到要求；同時在實際運用中，由于堰上實際溢流水頭的變化和堰面粗糙產(chǎn)生摩阻力的影響，堰面上很容易產(chǎn)生負壓。為了防止堰面上產(chǎn)生較大的負壓，同時又使堰具有較大的過流能力，堰的剖面設(shè)計常使堰面曲線稍稍伸入薄壁堰溢流水舌下緣面以內(nèi)，形成非真空剖面實用堰。但是，使用寬尾墩以后，在實際堰上溢流水頭等于設(shè)計水頭時，下游曲線段的動水壓力明顯增加。因此，仍在下游采用WES曲線型適用堰，堰的設(shè)計水頭可以采用比平尾墩設(shè)計水頭小一些的值，從而使堰的形狀變瘦，節(jié)約工程量及工程投資。那么，不同的收

9、縮比，不同的始擴點位置，對應(yīng)的設(shè)計水頭減小值應(yīng)為多少呢？有待于進一步實驗研究。 參考文獻 1安康水電站泄水建筑物的水力學(xué)原型觀測J.水力發(fā)電,1994,(1). 2巖灘水電站寬尾墩新型消能工的試驗研究J.紅水河,15,(2). 3五強溪水電站的樞紐布置及三大建筑物的設(shè)計特點J.水力發(fā)電,1994,(11). 4倪漢根.寬尾墩-消力池的簡化計算方法J.水利學(xué)報,1998,(6). 5李中樞，潘艷華，韓連超等.寬尾墩聯(lián)合消能工體型選擇及水利特性研究J.水科學(xué)展,2000,(3). 6蘇超，李上游.寬尾墩聯(lián)合消能工體型選擇及水力特性研究J.水科學(xué)進展,2000,(3). 7謝省宗，李世琴.寬尾墩聯(lián)合消能工在百色水利樞紐中的研究和應(yīng)用. 8水力學(xué)成都科技大學(xué)水力學(xué)教研室編M.北京：人民教育出版社，1979. 注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?