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台阶式溢流坝跌落水流时压强特性研究 (李布雳冯瑞林韩窍田嘉宁) 西安理工大学 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A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而上的冲击，时均正压则主要集屮在台阶水平而凸角水舌 跌落处附近。台阶竖直而上的脉动压强强度远小于台阶水平而，而台阶水平而上 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川过。但在当时，对这种坝面的体形和溢流特性却 研宂甚少。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。随着碾压浞凝土施工工艺的问世，台阶式坝而消能工在 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 宄成果。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AT分为：即跌落水流(Nappe flow)、过渡水流(Trans i t i on f 1 ow)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、能量粍散等方而的表现均不同。台阶式溢流坝的研 宄还处于初级阶段，苒研宄方法仍普遍采用模型试验，通过对试验结果的分析， 得出台阶人小、溢流而坡度、流:W: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宄较少。特别是脉动压强的研宄则更少。 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 带來很大的危害，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3mX3mX4. 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. 0039x*- 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。在每个台阶而上布賈7个脉动压强测点，其中竖直而布賈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 台阶而上压强分布的测定巾水利水电科学研究院研制的DJ800多功能检测 系统来完成。该监测系统巾计算机、多功能监测仪和脉动压强传感器组成的数裾 采集和数据处理系统。数据采样间隔取0. 015s,根掘奈奎斯特公式 Fc =1/ (2 A t) (2) 其采样截断频率为33. 33Hz,样本长度为4096个。下游冋水渠安装矩形薄壁 堰(堰高51. 13cm、宽79. 45cm),堰顶水头使用测针量测。同吋使用数码相机 和数码摄像机对实测的水流流态现象进行拍摄记泌。 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，而足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曲，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。 随着流景的增大，水翅的高度及其沿台阶而所滑过的距离均巾小变大，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