臺階式溢洪道滑掠流時均壓強影響因素分析

楊吉健，劉韓生，張為法

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國電建西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

臺階式溢洪道滑掠流時均壓強影響因素分析

楊吉健1，劉韓生1，張為法2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國電建西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

由于臺階式溢洪道結(jié)構(gòu)特殊，流態(tài)復(fù)雜，對臺階式溢洪道壓強并未取得一致性的研究成果。對多個臺階式溢洪道滑掠流時均壓強資料進行分析，探討來流流量、摻氣、臺階尺寸、溢洪道坡度等對臺階式溢洪道時均壓強的影響。分析結(jié)果表明：單寬流量大，時均壓強變大；摻氣可有效降低正壓時均壓力并增加負壓值；臺階尺寸對臺階式溢洪道的影響較為復(fù)雜，臺階尺寸較小,且坡度較緩時豎直面壓強呈中間小、兩頭大分布，坡度較大時具有2個壓力極小值，位于豎直面底部和頂部，臺階尺寸較大時豎直面壓強自下而上呈減小趨勢；坡度增加，臺階式溢洪道壓強變化幅度增大。

臺階式溢洪道；空蝕破壞；滑掠流；時均壓強；單寬流量；摻氣

1 研究背景

臺階式溢洪道被廣泛地應(yīng)用在國內(nèi)外工程中。但若流速過大，壓強過小，臺階壩面易發(fā)生氣蝕破壞。我國丹江口水電站在1974年10月宣泄大洪水時，過壩單寬流量為120 m3/(s·m)，在臺階溢流壩段的臺階面上出現(xiàn)大面積空蝕坑，最深達1.2 m，水工模型試驗表明此時壩面流速為21.0～24.6 m/s，負壓達到5.20～9.81 kPa，相應(yīng)空化數(shù)為0.18～0.87[1-2]。

臺階式溢洪道空蝕與臺階壓強密切相關(guān)，在現(xiàn)有對臺階式溢洪道的壓強特性的研究文獻中，不少學(xué)者[1-11]給出了臺階式溢洪道壓強分布規(guī)律，但并未得出一致的結(jié)論。本文根據(jù)文獻[1-9]的試驗資料，對臺階式溢洪道滑掠流狀態(tài)下，影響壓強特性規(guī)律的因素進行分析，研究來流流量、摻氣、臺階尺寸、溢洪道坡度對臺階式溢洪道壓強分布的影響。

2 試驗資料

為得到真實可靠的結(jié)論，本文以文獻[1-9]試驗數(shù)據(jù)為依托，對滑掠流流態(tài)下，臺階式溢洪道時均壓強特性進行對比分析，探討來流流量、摻氣、坡度、臺階尺寸對滑掠流流態(tài)下臺階式溢洪道時均壓強的影響，不同條件模型試驗基本資料見表1。

表1 臺階式溢洪道不同體型試驗數(shù)據(jù)Table 1 Test data of different stepped spillways

3 影響因素分析

臺階式溢洪道壓強受多種因素影響，本文對不同體型臺階式溢洪道時均壓強規(guī)律進行對比研究，探討來流流量、摻氣、臺階尺寸、溢洪道坡度等對臺階式溢洪道時均壓強的影響，針對已有成果不一致的觀點進行討論，淺析不同因素對臺階式溢洪道壓強的影響。

3.1 來流流量的影響

來流流量直接影響溢洪道沿程水深、流速，進而引起臺階內(nèi)部漩滾水流的變化。對文獻[1-9]的試驗結(jié)果進行分析，無論水平面還是豎直面，臺階式溢洪道在滑掠流流態(tài)下時均壓強值均隨流量增大而變大。以文獻[2]為例，40°，50°，60°三種坡度下，臺階水平面上的時均壓強為正值，臺階豎直面約1/2臺階高以下為正值，以上為負值，負壓絕對值在臺階豎直面頂部最大，但流量增大負壓絕對值減少，1/2臺階高以下正壓變大。

進一步分析，雖然大單寬流量下，時均壓強較大，但該流態(tài)卻是空蝕破壞較易發(fā)生工況。原因是流速大，對應(yīng)空化數(shù)小，流速增加造成的不利影響遠大于水深增加對水流壓強增加產(chǎn)生的有利影響。

注：橫坐標x/l表示測點位置距起點的距離與水平號長度的比值

3.2 摻氣的影響

摻氣可有效預(yù)防空蝕破壞的發(fā)生，從50年代至今很多對比試驗和工程實例表明，水流中摻入1%～8%的空氣可減輕或防止空蝕破壞，當摻氣達8%時(一般情況下)可完全防止空蝕的破壞[12]。為預(yù)防空蝕發(fā)生，許多臺階式溢洪道都進行了摻氣處理，摻氣對臺階式溢洪道壓強會產(chǎn)生很大影響。

本文以文獻[9]臺階高度為5 cm，溢洪道坡度30°，51.3°為例進行說明。圖1給出了設(shè)計水位下設(shè)置摻氣墩前后單個臺階內(nèi)時均壓強分布。加分流墩后總體來說臺階式溢洪道負壓部分變正壓，正壓部分壓強值減小，但在1#臺階處不符合此規(guī)律，在坡度為30°的臺階式溢洪道上，1#臺階斷面壓強較原無墩時正壓有所增大。

3.3 臺階尺寸的影響

臺階尺寸對臺階式溢洪道單個臺階豎直面和水平面有較大的影響，豎直面是出現(xiàn)負壓的主要部位。文獻[1]未給出測壓管具體分布情況不做討論，文獻[2-4]認為，單個臺階豎直面底部壓強最大，頂端位置時均壓強減為最小。文獻[5-6]表明臺階高度為10 cm時，出現(xiàn)與文獻[2-4]一致的結(jié)果，但在臺階高度5 cm，臺階坡度為30°，51.3°情況下，時均壓強表現(xiàn)為另一規(guī)律：自底向上壓強值先逐漸變小，約在豎直面的0.5倍步長處出現(xiàn)壓強極小值，然后又逐漸變大，至頂端附近再次變小，出現(xiàn)2個壓力極小值。文獻[7]試驗及模擬結(jié)果出現(xiàn)與文獻[5-6]臺階高度5 cm時相同的試驗結(jié)果。文獻[8]研究結(jié)果不同于上述兩個規(guī)律，具體為臺階豎直面上的壓力底部為最大值，(0.1～0.8)y/d(y為臺階距離臺階底部距離，d為臺階高度)區(qū)間壓強逐漸減小，(0.8～0.9)y/d再次增大。文獻[8]試驗條件不同于文獻[2-7]，具體為溢洪道坡度緩、臺階高度小。圖2反映不同試驗條件下豎直面壓強變化規(guī)律，圖2不涉及具體值大小，僅反映各試驗的總體規(guī)律。

注：縱坐標為測點位置離臺階底部距離與臺階高度的比值

綜合文獻[2-8]，臺階式溢洪道不同臺階尺寸有不同的流場形態(tài)，對豎直面壓強造成不同影響，呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律：臺階尺寸較小時豎直面上會出現(xiàn)2個壓強極小值，臺階尺寸較大時壓強分布自下而上逐漸減小；當坡度平緩，臺階尺寸較小時，豎直面壓強在0.5y/d處壓強達到最大，頂端及底部壓強值均較大。

3.4 溢洪道坡度的影響

文獻[2]對臺階式溢洪道坡度40°，50°，60°臺階式溢洪道3種水流狀態(tài)壓強分布特性進行分析。結(jié)果表明，泄槽坡度增大，臺階頂部范圍的壓強波動減小，負壓絕對值增加。文獻[8]專門對臺階式溢洪道坡度對臺階式溢洪道的影響做了研究，得出坡度越陡，沿程臺階水平面和豎直面壓力變化幅度越大的結(jié)論，和文獻[2]從不同方面闡述了溢洪道坡度對壓強變化的影響。

4 結(jié) 論

不同的臺階體型、單寬流量、尺寸及坡度形成不同的壓強分布，摻氣也影響壓強分布規(guī)律。本文對大量數(shù)據(jù)進行分析得出這樣的結(jié)論：

(1) 臺階式溢洪道時均壓強，包括水平面和豎直面，在滑掠流流態(tài)下隨流量增大而變大。該規(guī)律對預(yù)防空蝕破壞是有益的，但若流量過大，流速也隨之變大，空化數(shù)減小，水深增加的有利因素避免不了流速增大產(chǎn)生的空化破壞，工程運行應(yīng)盡量避免大單寬流量、大流速下運行。

(2) 摻氣可有效預(yù)防空蝕破壞的發(fā)生，對壓強的影響上表現(xiàn)為有效減小臺階式溢洪道正壓的時均壓強，增加負壓的時均壓強。

(3) 臺階尺寸對臺階式溢洪道壓強影響很大，不同臺階尺寸豎直面時均壓強體現(xiàn)不同分布規(guī)律。尺寸較小且坡度較緩時臺階式溢洪道頂端及底部出現(xiàn)較大的壓強值，中部為壓強極小值；臺階尺寸小，坡度較陡時豎直面底部壓強較大，一般為正壓，豎直面中部附近出現(xiàn)壓強極小值，向上壓強變大，在0.8y/d附近出現(xiàn)壓力極大值，而后壓強又減??；臺階尺寸較大時，臺階式溢洪道豎直面壓強分布是從底部到頂端持續(xù)減小。

(4) 溢洪道坡度對臺階式溢洪道壓強影響表現(xiàn)為坡度增大，臺階頂部范圍的壓強波動減小，負壓絕對值增加，沿程為臺階水平面和豎直面壓強變化幅度增大。

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[12]董志勇, 呂陽泉, 居文杰, 等. 高速水流空化區(qū)和空蝕區(qū)摻氣特性的試驗研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 2006, 25(4): 62-65. (DONG Zhi-yong, LV Yang-quan, JU Wen-jie,etal. Experimental Study of Aerated Characteristics in Cavitation Region of High Velocity Flow[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2006,25(4):62-65. (in Chinese))

(編輯：劉運飛)

長江科學(xué)院河流研究所參加第36屆國際水利學(xué)大會

第36屆國際水利學(xué)大會(The 36th IAHR World Congress, IAHR2015)于2015年6月28日—7月3日在荷蘭海牙召開。該大會是世界水利工程與學(xué)科領(lǐng)域最重要的水事活動之一，距今已成功舉辦36屆。來自荷蘭本土、美國、德國、法國、英國、意大利、比利時、加拿大、中國、日本和澳大利亞等數(shù)十個國家的專家代表約1 400人參加了會議。

長江科學(xué)院河流研究所朱勇輝教高應(yīng)邀參加會議并在會上作了題為“2D Mathematical Modeling of Headcut Erosion during Breaching of Homogeneous Embankments”的專題報告。會議期間，朱勇輝教高還與各國專家學(xué)者就感興趣的問題及合作進行了廣泛交流。

(摘自：長江水利科技網(wǎng))

Factors Affecting Time-averaged Pressure ofSkimming Flow in Stepped Spillways

YANG Ji-jian1，LIU Han-sheng1，ZHANG Wei-fa2

(1.College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2. Power China Xibei Engineering Corporation Limited, Xi’an 710065, China)

As stepped spillway has special structure and complex flow patterns, researches on the pressure in stepped spillway are not consistent. In view of this, we investigate into the effects of flow discharge, air entrainment, step size and spillway’s slope gradient on the distribution of time-averaged pressure through analysing the pressure data of skimming flow in several stepped spillways. Results reveal that big discharge per unit width leads to big time-averaged pressure. Air entrainment could effectively reduce positive time-averaged pressure and increase negative pressure. Effect of the step size is complicated: when the step size is small with gentle slope, pressure is small in the middle but large on both ends in vertical plane of the step; when step size is small with steep slope, minimum pressure occurs on the bottom and top of step in vertical plane; while when the step size is large, pressure decreases from the bottom to the top, and pressure variation intensifies with the increase of slope gradient.

stepped spillway; cavitation damage; skimming flow; time-averaged pressure; discharge per unit width; aeration

2014-03-03；

2014-05-12

楊吉健(1989-)，男，河南開封人，碩士研究生，主要從事泄水建筑物與高速水流方面的研究，(電話)15109276214(電子信箱)xinongyangjijian@163.com。

劉韓生(1962-)，男，陜西韓城人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事水力學(xué)與水工建筑物方面的研究，(電話)13319231569(電子信箱)hanshengliu@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.010

TV651.1

A

1001-5485(2015)08-0057-04

2015,32(08):57-60