06-台阶式溢流坝跌落水流时压强特性研究.doc

台阶式溢流坝跌落水流时压强特性研究 （李布雳 冯瑞林 韩 玙 田嘉宁） 西安理工大学 摘 要： 当台阶均一的台阶式溢流坝在跌落水流流态时，台阶面上的脉动压力主要由跌落水舌影响，台阶水平面上压强均大于竖直面。由于水舌掺气，时均负压主要集中在台阶竖直面自台阶凸角至台阶凹角3/4的台阶高度范围内；受到跌落水舌在台阶水平面上的冲击，时均正压则主要集中在台阶水平面凸角水舌跌落处附近。台阶竖直面上的脉动压强强度远小于台阶水平面，而台阶水平面上的脉动压强强度则集中于水舌跌落处。 关键词：台阶式溢流坝；跌落水流；脉动压强；时均压强；水工模型试验 1 引 言 历史上曾将溢流坝面做成台阶型，国内外一些小型工程上均有实践，1959年我国广东省的迎嘴水库就采用过。但在当时，对这种坝面的体形和溢流特性却研究甚少。直到20世纪80年代初，美国垦务局（USB）才发表了上静水库台阶式溢流坝的可行性研究报告。1985年，美国里亥（LEHIGH）大学又对新蒙克斯维里坝进行了水工模型试验。随着碾压混凝土施工工艺的问世，台阶式坝面消能工在加拿大、澳大利亚、南非、中国、日本等国受到重视，并取得了许多有价值的研究成果。台阶式溢流坝与常规溢流坝相比，除节省成本外，还因其台阶的糙率大，沿斜槽有大量的空气掺入能消除大量能量，降低水流速度，从而减轻了下游消力池负荷，使消力池的长度缩短很多。研究表明通过台阶式溢流坝的水流，按其流动的形态可分为：即跌落水流（Nappe flow）、过渡水流（Transition flow）和滑行水流（Skimming flow）三种形式。这三种不同流态的水流在台阶中的流动形式、压力变化、掺气方式、能量耗散等方面的表现均不同。台阶式溢流坝的研究还处于初级阶段，其研究方法仍普遍采用模型试验，通过对试验结果的分析，得出台阶大小、溢流面坡度、流量等对消能率等的影响规律。但对水流掺气形成两相流后水流的时均压强的研究较少。特别是脉动压强的研究则更少。 众所周知，加大糙率可以提高消能工的消能效率，但在高速水流条件下，过大的体型不合理的糙率往往是引起建筑物空蚀的直接原因。当高速水流流过台阶表面时，由于紊动和掺气，在台阶上会产生很大的脉动压力，若对此认识不足，可能会使泄水建筑物产生过大的震动，或出现过低的压力区，这些都会给建筑物带来很大的危害，甚至威胁建筑物的安全。因此，对台阶式溢流坝时均压强和脉动的研究就显得非常重要。 2 模型设计及仪器 2．1 模型设计与制作 试验的供水系统是3m×3m×4．3m的钢板水箱供水，水箱与长60．0cm的水平进水段和溢流坝模型用标准WES曲线堰依次连接，WES曲线末端与下游尾水渠之间设为台阶段，台阶段下游直接与尾水渠连接，中间不设反弧连接段（见图1）。其下游曲线方程为 y=0．0039x1．85 （1） 台阶段斜坡与水平面的夹角为40°，台阶式溢流坝高248．06cm。泄槽宽40．0cm，侧墙高50．0cm，沿程共布置15个台阶（见图1），每个台阶高16．0cm，长19．07cm。在每个台阶面上布置7个脉动压强测点，其中竖直面布置4个，水平面布置3个（见图2）。模型进口段、曲线段、台阶段、尾水渠段均采用8mm厚有机玻璃制作。 2．2 测试仪器 台阶面上压强分布的测定由水利水电科学研究院研制的DJ800多功能检测系统来完成。该监测系统由计算机、多功能监测仪和脉动压强传感器组成的数据采集和数据处理系统。数据采样间隔取0．015s，根据奈奎斯特公式 Fc =1/（2Δt） （2） 其采样截断频率为33．33Hz，样本长度为4096个。下游回水渠安装矩形薄壁堰（堰高51．13cm、宽79．45cm），堰顶水头使用测针量测。同时使用数码相机和数码摄像机对实测的水流流态现象进 行拍摄记录。 3 试验成果分析 3．1 跌落水流中的水翅现象 当台阶式溢流坝水流处于跌落水流流态时，自某一流量开始，从上游第一级台阶至下游数级台阶之间，水流不再沿台阶逐级降落，而是连续越过数级台阶后落入下游台阶面。我们把这种水流现象称为“水翅”（见图3）。含有水翅的跌落水流沿斜坡上游到斜坡下游进一步又可分为水翅段、调整段和稳定段三部分（见图4）。在水翅段内，水股脱离台阶表面，跃入空中，台阶上处于无水状态；调整段是水翅回落后的几级台阶，在该段内水股冲击台阶表面，流态相当紊乱，水流表面起伏很大，水花飞溅，并常伴有小水翅出现；经过调整段后，水流重新回复典型的跌落水流流态，在每级台阶内均出现含有自由水面的小水池，属于稳定段。随着流量的增大，水翅的高度及其沿台阶面所滑过的距离均由小变大，在水流流态逐渐接近滑行水流时又逐渐消失。 3．2 台阶上时均压强变化 3．2．1 台阶竖直面时均压强 竖直边壁底部时均压强受台阶上水池深度的影响较大，而对于台阶凸角处则主要受到水舌掺气的影响（