台阶式溢洪道各流况的消能特性.docx

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台阶式溢洪道各流况的消能特性

台阶式溢洪道各流况的消能特性

摘要：

在斜坡角度θ=19°的台阶式溢洪道上，变化其来流量、台阶高度及相对坝高等条件，对跌落水流、过渡水流及滑行水流，下游消力池形成临界水跃的跃前、跃后消能率进行了对比试验研究。

试验结果表明，在试验条件范围内，以上三种流态的消能率差别甚小，总消能率最大可达95%左右，其中跃前的消能率占85%以上。

关键词：

台阶式溢洪道滑行水流过渡水流跌落水流水跃消能

自古以来水利工程中为了消除过堰或过坝所形成的水流能量，一般都是利用光面溢洪道或溢流坝进行挑流消能或在下游修建消力池进行水跃消能。

并对溢洪道和溢流坝的局部不平整度做了严格的规定，以防产生空蚀破坏。

特别是垂直水流方向的局部不平整度，则要求更加严格。

尽管如此，溢洪道和溢流坝遭到破坏的事例仍然不少[1]。

但近20多年来，随着RCC施工新技术的出现和应用，对溢洪道和溢流坝的体型设计产生了很大的影响。

台阶式体型的溢洪道、溢流坝以其优于光面溢洪道、溢流坝的消能率而受到世界各国水利界人员的强烈关注，并进行了大量的试验研究[2]。

目前，世界上已经有几十座中小型水库采用了台阶式消能设施，其最大坝高已超过91m。

有数座正在设计和施工的最大坝高已达100

m以上，中国的大朝山及百色工程都在100m以上。

关于台阶式溢洪道滑行水流和跌落水流的消能率，目前仍存在着各种不同的说法和结论，因此，有必要进一步进行探讨。

已往的试验研究，坡角从2.86°～75°的很大范围，本文以滑行水流时阻力最大的斜坡（θ=19°）为对象[3]，使其在下游形成临界水跃，对跌落水流，过渡水流及滑行水流时的消能率进行了试验，并对各流况的能量损失做了比较。

1试验条件

试验用水槽宽B=0.4m，水槽长L=7.4m～11.5m，坝高Hdam=0.8m～2.4m，溢洪道的斜坡角度θ=19°，台阶高h=0.05m～0.2m，Hdam/yc=6.18～83.8，0.156≤yc/h≤2.0，跃后水深测量采用测针读取，读取精度为0.1mm，跃前断面底部压力用小型皮托管（静压管）量测。

为进一步了解流况的变化情况，对典型流态进行了录象和拍照。

2台阶式溢洪道的水流流况分类

台阶式溢洪道的水流流况根据其相对临界水深yc/h（yc溢洪道进口处临界水深，h台阶高度），以及泄槽倾斜角度θ分成三类[4]。

即滑行水流（Skimmingflow），过渡水流（Transitionflow）和跌落水流（Nappeflow），见图1所示。

当水流流过台阶表面时，各台阶内全部被水充填，没有空腔存在，并在各台阶隅角和主流之间形成一个横轴旋涡，靠近主流处旋涡旋转方向和主流流动方向一致，这种水流称为滑行水流（见图2a）；处于滑行水流和跌落水流之间，在一些台阶内总是有类似跌落水流的三角形空腔形成，而在另一些台阶内总是有类似滑行水流的横轴旋涡形成，并且这两种形态沿台阶向下游交替存在于台阶表面与主流之间，定义为过渡水流（见图2b）；在各台阶隅角与主流之间总是有一个近似三角形空腔存在，空腔下为一近似梯形静水池，流股出现较大的弯曲，称为跌落水流（见图2c）。

3台阶上的断面比能

3.1滑行水流在滑行水流情况下，由于流过台阶表面的水流与假想底层（即各台阶尖端点的连线，见图3）平行，流线不会出现较大的弯曲现象。

假定其台阶上的水压力为静水压力分布，令各台阶上的断面比能为H，则有下面的关系式

（1）

式中：

yw为垂直假想底层上的非掺气水深，可由掺气流体的水深进行换算，yc为溢洪道上游进口处的临界水深（yc=（q2/g）1/3,q为单宽流量，g为重力加速度），θ为溢洪道斜坡角度，本试验中θ=19°。

3.2跌落水流与过渡水流在跌落水流与过渡水流中，流过台阶表面的水股直接冲击台阶的水平表面，流股不再与假想底层平行，流线出现较大的弯

曲，因此，在断面比能中应考虑流线弯曲的影响，式

（1）变为：

（2）

（3）

这里，假定动能修正系数α=1,λ为压力修正系数[5],hw为垂直台阶水平面的非掺气水深，u为跃前垂直断面上的流速，用u=U（y/yw）1/8表示，U为y=hw时的流速，Δp为考虑流线弯曲引起的实测水压力与静水压力之差，近似表示为：

（4）

式中：

y为距水平台阶表面的距离，hp为底面压力实测值。

4台阶式溢洪道的消能率

为求得台阶式溢洪道的消能率，分别取溢洪道上游（水库）和其下游的跃前断面（参见图4），应用伯努力方程可得到：

（5）

这里，ΔΗ1为跃前断面能量损失，H1为跃前断面能量，Hmax为总水头，Hdam为坝高。

方程

（1）、

（2）分别给出了滑行水流和跌落水流时台阶上的断面比能。

对平底水跃消能情况，取H/yc等于H1/yc，则各流况的跃前断面比能就可以表示为：

（6）

式中：

y1为跃前收缩断面非掺气水深，λ可以从式（3）求得。

由于跃前收缩断面水深值测量会遇到一定困难，因而进一步运用动量方程（7），通过量测跃后断面水深y２和跃前收缩断面底部压力水头yp，间接求出跃前水深值y1。

（7）

由式（5）可得：

（8）

在已知坝高（Hdam）和流量（yc）的条件下，分别求解式（5）、（6）、（7）、（8），就可以算出台阶式溢洪道的消能率。

图5是θ=19°时滑行水流的消能率[6]ΔH1/Hmax与坝高及台阶高度变化的关系。

由图可以看出，其消能率随相对坝高Hdam/yc的增加而增大；并随台阶高度的增大而增加。

由图还可以看出，当h/yc≥0.4～0.5时（即yc/h≤2～2.5），对不同的相对坝高Hdam/yc，其消能率变化很小，并逐渐趋近于一常数。

如果重新整理其消能率与相对坝高Hdam/yc的关系，当yc/h≤2～2.5时，其变化如图6所示。

这时消能率ΔH1/Hmax只是相对坝高Hdam/yc的函数，而与yc/h无关。

图7是倾斜角度θ=19°时台阶式溢洪道中跌落水流和过渡水流的消能率。

在跌落水流和过渡水流中，由于台阶上相对水深较小，而且水深变化不大，对一定的斜坡，其过渡的形状基本保持不变，在给定Hdam/yc时，消能率相差很小。

进一步将倾斜角度θ＝19°时的台阶式溢洪道各流况的消能率相比较，如图8所示。

对于一定的Hdam/yc，滑行水流、过渡水流和跌落水流的消能率ΔΗ1/Ｈmax相差很小。

这是因为在流量相对较小的跌落水流和过渡水流中，即便是流量发生变化，但主流冲击台阶的位置变化不大，因此，在台阶上所形成的三角形区域和形状亦变化不大，对水流的形状阻力影响较小。

另外，在滑行水流情况时，当yc/h≤2～2.5时，形状阻力的影响虽然较跌落水流和过渡水流较小，但由于实际流过台阶表面的水深仍然较小，水流掺气非常充分，在台阶隅角形成稳定的，而且很强的旋涡，并在台阶外边缘附近形成随机性的空气层流态。

虽然各流况时台阶上的能量H1中其静水头和动水头的比例有所不同[7]，但台阶上的能量H1基本不变，这就使得各流况的消能率几乎一样。

5台阶式溢洪道的总消能率

为进一步研究对比台阶式溢洪道在各流况下包括水跃在内的总消能率，试验中使其下游形成临界水跃，然后用测针反复量测跃后水深的平均值，并根据能量方程求其消能率。

与式（5）式（7）类似，跃后断面能量和总消能率可以表示为：

（9）

（10）

式中：

H2为跃后断面上的能量，y2为跃后断面水深。

由图9可见，当斜坡角度θ=19°时，各流况情况下消能率仍然表现出相当好的一致性。

台阶式溢洪道总消能率最大可达到95%左右。

再将图8与图9比较，可以看出，台阶段部分的消能量最少占总消能量的85%以上，而水跃消能量只占总消能量的10%左右。

这说明水跃消能量在总消能率中所占的比重很小，与传统的光滑面溢洪道水跃消能相比差别较大。

文献[6]对滑行水流情况下，不同斜坡角度θ，及yc/h≤2～2.5时的临界水

跃消能率做了对比，也得出了类似的结论。

这一结果说明，台阶式消能结构具有很好的消能效果。

6结论

本文给出了斜坡角度为θ=19°的台阶式溢洪道在不同流况下能量的计算方法，并在计算台阶式溢洪道的消能率时，考虑了由于跃前流线弯曲引起实际水压变化的影响，提出了临界水跃时统一的消能率公式。

通过模型试验对0.156≤yc/h≤0.77的跌落水流、过渡水流和yc/h≤2的滑行水流的消能率进行比较，模型试验结果表明，当斜坡角度θ=19°时，台阶式溢洪道在给定Hdam/yc情况下，0.156≤yc/h≤2时，各流况的消能率相差很小。

台阶式溢洪道的总消能率最大可达95%左右，其中台阶段部分的消能率占总消能率85%以上。

显示出台阶式溢洪道具有很好的消能效果。

参考文献：

[1]HansErwinMinor.Spillwaysforhighvelocities[A].In:

Proceedingoftheinternationalworkshoponhydraulicsofsteppedspillways.Zurich,Switzerland,A.A.Balkema,Rotterdam,2000,3:

3-10.

[2]ChansonH.Comparisonofenergydissipationbetweennappeandskimmingflowregimesonsteppedchutes[J].Journalofhydraulicresearch,IAHR,1994,32

（2）:

213218.

[3]YasudaY,OhtsuI.Flowresistanceofskimmingflowinsteppedchannels[A].Proceedingofthe28thBiennialcongress,Spillwaysandchutestructures,B14,IAHR,1999,4.

[4]YasudaY,TakahashiM,OhtsuT.Energydissipationofskimmingflowonsteppedchannelchutes[A].In:

Proceedingofthe29thIAHRcongress,Beijing,2001,9:

531-536.

[5]YasudaY,TakahashiM,OhtsuT.Flowresistanceofsteppedchannelflows[J].Journalofhydraulicengineering,JSCE（inJapanese）,2000,44:

527-532.

[6]akahashiM,YasudaY,OhtsuI.Energydissipationofskimmingflowsonsteppedchannels[J].Journalofhydraulicengineering,JSCE（inJapanese）,2001,45

（2）:

415-420.

[7]NakamuraZ.Energydissipationofnappeflowandskimmingflow[D].Thesis,NihonUniversity,2002,5（inJapanese）.

[8]ChansonH.Thehydraulicofsteppedchutesandspillways[M].A.A.BalkemaPublishers,Netherlands,2002,2.