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(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

臺(tái)階式溢洪道滑掠流時(shí)均壓強(qiáng)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(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

由于臺(tái)階式溢洪道結(jié)構(gòu)特殊，流態(tài)復(fù)雜，對(duì)臺(tái)階式溢洪道壓強(qiáng)并未取得一致性的研究成果。對(duì)多個(gè)臺(tái)階式溢洪道滑掠流時(shí)均壓強(qiáng)資料進(jìn)行分析，探討來(lái)流流量、摻氣、臺(tái)階尺寸、溢洪道坡度等對(duì)臺(tái)階式溢洪道時(shí)均壓強(qiáng)的影響。分析結(jié)果表明：?jiǎn)螌捔髁看螅瑫r(shí)均壓強(qiáng)變大；摻氣可有效降低正壓時(shí)均壓力并增加負(fù)壓值；臺(tái)階尺寸對(duì)臺(tái)階式溢洪道的影響較為復(fù)雜，臺(tái)階尺寸較小,且坡度較緩時(shí)豎直面壓強(qiáng)呈中間小、兩頭大分布，坡度較大時(shí)具有2個(gè)壓力極小值，位于豎直面底部和頂部，臺(tái)階尺寸較大時(shí)豎直面壓強(qiáng)自下而上呈減小趨勢(shì)；坡度增加，臺(tái)階式溢洪道壓強(qiáng)變化幅度增大。

臺(tái)階式溢洪道；空蝕破壞；滑掠流；時(shí)均壓強(qiáng)；單寬流量；摻氣

1 研究背景

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

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

2 試驗(yàn)資料

為得到真實(shí)可靠的結(jié)論，本文以文獻(xiàn)[1-9]試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依托，對(duì)滑掠流流態(tài)下，臺(tái)階式溢洪道時(shí)均壓強(qiáng)特性進(jìn)行對(duì)比分析，探討來(lái)流流量、摻氣、坡度、臺(tái)階尺寸對(duì)滑掠流流態(tài)下臺(tái)階式溢洪道時(shí)均壓強(qiáng)的影響，不同條件模型試驗(yàn)基本資料見(jiàn)表1。

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

3 影響因素分析

臺(tái)階式溢洪道壓強(qiáng)受多種因素影響，本文對(duì)不同體型臺(tái)階式溢洪道時(shí)均壓強(qiáng)規(guī)律進(jìn)行對(duì)比研究，探討來(lái)流流量、摻氣、臺(tái)階尺寸、溢洪道坡度等對(duì)臺(tái)階式溢洪道時(shí)均壓強(qiáng)的影響，針對(duì)已有成果不一致的觀點(diǎn)進(jìn)行討論，淺析不同因素對(duì)臺(tái)階式溢洪道壓強(qiáng)的影響。

3.1 來(lái)流流量的影響

來(lái)流流量直接影響溢洪道沿程水深、流速，進(jìn)而引起臺(tái)階內(nèi)部漩滾水流的變化。對(duì)文獻(xiàn)[1-9]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，無(wú)論水平面還是豎直面，臺(tái)階式溢洪道在滑掠流流態(tài)下時(shí)均壓強(qiáng)值均隨流量增大而變大。以文獻(xiàn)[2]為例，40°，50°，60°三種坡度下，臺(tái)階水平面上的時(shí)均壓強(qiáng)為正值，臺(tái)階豎直面約1/2臺(tái)階高以下為正值，以上為負(fù)值，負(fù)壓絕對(duì)值在臺(tái)階豎直面頂部最大，但流量增大負(fù)壓絕對(duì)值減少，1/2臺(tái)階高以下正壓變大。

進(jìn)一步分析，雖然大單寬流量下，時(shí)均壓強(qiáng)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(duì)應(yīng)空化數(shù)小，流速增加造成的不利影響遠(yuǎn)大于水深增加對(duì)水流壓強(qiáng)增加產(chǎn)生的有利影響。

注：橫坐標(biāo)x/l表示測(cè)點(diǎn)位置距起點(diǎn)的距離與水平號(hào)長(zhǎng)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(duì)比試驗(yàn)和工程實(shí)例表明，水流中摻入1%～8%的空氣可減輕或防止空蝕破壞，當(dāng)摻氣達(dá)8%時(shí)(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(tái)階式溢洪道都進(jìn)行了摻氣處理，摻氣對(duì)臺(tái)階式溢洪道壓強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生很大影響。

本文以文獻(xiàn)[9]臺(tái)階高度為5 cm，溢洪道坡度30°，51.3°為例進(jìn)行說(shuō)明。圖1給出了設(shè)計(jì)水位下設(shè)置摻氣墩前后單個(gè)臺(tái)階內(nèi)時(shí)均壓強(qiáng)分布。加分流墩后總體來(lái)說(shuō)臺(tái)階式溢洪道負(fù)壓部分變正壓，正壓部分壓強(qiáng)值減小，但在1#臺(tái)階處不符合此規(guī)律，在坡度為30°的臺(tái)階式溢洪道上，1#臺(tái)階斷面壓強(qiáng)較原無(wú)墩時(shí)正壓有所增大。

3.3 臺(tái)階尺寸的影響

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

注：縱坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)位置離臺(tái)階底部距離與臺(tái)階高度的比值

綜合文獻(xiàn)[2-8]，臺(tái)階式溢洪道不同臺(tái)階尺寸有不同的流場(chǎng)形態(tài)，對(duì)豎直面壓強(qiáng)造成不同影響，呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律：臺(tái)階尺寸較小時(shí)豎直面上會(huì)出現(xiàn)2個(gè)壓強(qiáng)極小值，臺(tái)階尺寸較大時(shí)壓強(qiáng)分布自下而上逐漸減?。划?dāng)坡度平緩，臺(tái)階尺寸較小時(shí)，豎直面壓強(qiáng)在0.5y/d處壓強(qiáng)達(dá)到最大，頂端及底部壓強(qiáng)值均較大。

3.4 溢洪道坡度的影響

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

4 結(jié) 論

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

(1) 臺(tái)階式溢洪道時(shí)均壓強(qiáng)，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(duì)預(yù)防空蝕破壞是有益的，但若流量過(guò)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(yùn)行應(yīng)盡量避免大單寬流量、大流速下運(yùn)行。

(2) 摻氣可有效預(yù)防空蝕破壞的發(fā)生，對(duì)壓強(qiáng)的影響上表現(xiàn)為有效減小臺(tái)階式溢洪道正壓的時(shí)均壓強(qiáng)，增加負(fù)壓的時(shí)均壓強(qiáng)。

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

(4) 溢洪道坡度對(duì)臺(tái)階式溢洪道壓強(qiáng)影響表現(xiàn)為坡度增大，臺(tái)階頂部范圍的壓強(qiáng)波動(dòng)減小，負(fù)壓絕對(duì)值增加，沿程為臺(tái)階水平面和豎直面壓強(qiáng)變化幅度增大。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所參加第36屆國(guó)際水利學(xué)大會(huì)

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

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

(摘自：長(zhǎng)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(kāi)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