前置掺气坎式阶梯溢洪道掺气水深及消能率的计算.pdfVIP

第20卷第1期 水科学进展 V01．20．No．I 2∞9年1月 ADVANCESINWATERSCIENCE Jan．，2009 前置掺气坎式阶梯溢洪道掺气水深及消能率的计算 彭 勇，张建民，许唯临，刘善均，王 韦 (四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065) 摘要：在前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性、消能特性、掺气效果、抗空蚀特性研究的基础上，运用动量矩方程推 导出阶梯溢洪道形成均匀流时的掺气水深和消能率计算公式，建立了不同单宽流量下掺气水深与阶梯尺寸之间的 关系以及阶梯尺寸、阶数与消能率的定量关系。研究表明，前置掺气坎式阶梯溢洪道具有掺气量与掺气浓度宜于控 制，底部掺气充分。抗空蚀性能优越，消能率高，适宜于大单宽流量溢洪道等显著特点，可作为进一步推广应用阶 梯式溢洪道的理论和试验基础。研究成果得到模型试验的验证并应用于实际工程中。 关键词：前置掺气坎式阶梯溢洪道；掺气水深；消能率；理论分析；试验研究 中图分类号：13／135．21文献标识码：A 文章编号：1001-6791(2009}01-0063-06 在高消能率且无空化空蚀破坏的前提下，如何提高阶梯溢洪道单宽流量一直是该领域研究的重要方向。利 用掺气分流墩的水流分散及强掺气作用，大幅度减小阶梯坝面滑移水流水深，强化阶梯消能效果，从而达到增 大单宽流量、提高水头应用范围的目的…。但是，这种强迫掺气型式尚存在分流墩处水翅过高，下游水流流态 较差等问题需要解决。把宽尾墩和阶梯式溢流坝相结合，充分利用宽尾墩水流垂向扩散。减小阶梯过流单宽流 量，加强挑流水舌两侧掺气和水舌入水掺气作用，弱化阶梯消能效果，从而达到增大单宽流量、提高水头应用 范围的目的【2,3J。这种型式主要利用宽尾墩对水流的垂向扩散作用，实质是挑流消能的一种消能型式，阶梯仅 部之前的第一级阶梯下设置通气孔以达到保护前几级阶梯的形式[4J。也有将这种阶梯消能工应用到实际工程设 计中[5|。但是，这种前置掺气型式存在掺气量和掺气浓度不易控制或需要附加供气设备等问题，在坡度较陡时 或单宽流量较小时比较适用。 本文提出一种前置掺气坎式阶梯溢洪道能较好的解决阶梯式溢洪道在大单宽流量运行时，增加消能率与改 善抗空蚀破坏之间存在矛盾的难题。因此，对其水力特性及实际工程应用进行深人细致的研究，是提高阶梯消 能理论与实践方面的重点研究领域。 1前置掺气坎阶梯消能工 传统阶梯式溢洪道前面几级阶梯水流流速较低，表面掺气不能到达泄槽底部，尤其是单宽流量较大时底部 掺气浓度很低，而阶梯竖直面负压一般较大，较低的掺气浓度不能有效保护阶梯面，发生空蚀破坏的风险较 大。另一方面，前几级阶梯的消能效果也较差，为了水流的顺利过渡和衔接，同时有效解决阶梯面的空蚀破坏 特别是前几级阶梯的破坏，增加消能率，对于大单宽流量水流下泄时，阶梯尺寸必须增加。阶梯尺寸愈高，真 收稿Et期：2008-01．29 重点项目(2008108111) 作者简介：彭勇(1972一)。男，新疆石河子人，硕士研究生，主要从事水工水力学方面的研究。 通讯作者：张建民，E-mail：jmzhangscu@263．net 水科学进展 第20卷 正起到减蚀作用所需的掺气浓度也愈高，就必须增加底部 掺气浓度。因此，在阶梯式溢洪道前部的适当位置设置掺 气坎，通过底部强迫掺气，能够加强阶梯面的掺气保护作 用，这种阶梯溢洪道称为前置掺气坎式阶梯溢洪道，其典 型水流流态见图l。 具体的前置掺气坎位置依据过流坝面流速和水流空化