與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面水流壓強特性研究

梁宗祥，尹進步，盧紅，鄭治，龔紅林

與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面水流壓強特性研究

梁宗祥1，尹進步1，盧紅2，鄭治2，龔紅林1

（1．西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西楊凌712100；2．中國水電顧問集團貴陽勘測設(shè)計研究院，貴陽550002）

隨著RCC筑壩技術(shù)的發(fā)展，寬尾墩與臺階面聯(lián)合消能技術(shù)已先后在許多工程中得到應(yīng)用。通過工程原型與模型試驗資料的綜合分析，對不同體型及使用條件下，與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階內(nèi)部壓強與總體壓強分布規(guī)律進行了研究。研究結(jié)果表明：臺階內(nèi)部壓強分布規(guī)律及臺階總體壓強分布規(guī)律主要與堰面使用的寬尾墩形式有關(guān)，臺階坡比對臺階面總體壓強影響幅度較小，臺階高度幾乎不產(chǎn)生任何影響。

水力學(xué)；臺階面水流；模型試驗；寬尾墩；壓強

伴隨著我國水東、大朝山、索風營等電站的建成運行，臺階面與寬尾墩聯(lián)合消能技術(shù)使臺階單寬流量也得到了大幅度提高，從傳統(tǒng)的40 m3／（s·m）已經(jīng)發(fā)展到200 m3／（s·m）以上［1］。思林工程通過寬尾墩體型的試驗研究，又將臺階單寬流量提高到360 m3／（s·m）以上［2］。臺階過流能力增加同時，關(guān)于臺階面水流特性的研究也越來越多，特別是臺階面壓強特性的研究資料更多，但比較系統(tǒng)的研究資料多集中在無寬尾墩臺階過流方面，且這種臺階在工程應(yīng)用中，大單寬過流很少［3］。實際上，臺階大單寬過流能力的迅速提高，又主要得益于臺階與寬尾墩的聯(lián)合使用，因此，非常有必要對寬尾墩與臺階面聯(lián)合過流形式的臺階面水流壓強特性進行研究。

1 試驗?zāi)Ｐ秃喗?/h2>

由于目前工程中，表孔寬尾墩與臺階壩面聯(lián)合使用時，總水頭為100 m左右，臺階面坡比一般多為1∶0．7～1∶0．8，且臺階高度通常是碾壓混凝土碾壓層厚度的3～4倍，因此我們主要對坡比1∶0．7，1∶0．75和臺階高度0．9，1．2 m不同參數(shù)組合構(gòu)成的臺階面水流特性進行研究，水力條件以索風營和大朝山工程表孔水流為主，并參考了部分大朝山工程原型觀測資料，系統(tǒng)的模型試驗測試工作主要在索風營工程1∶50表孔斷面模型上進行。

從工程應(yīng)用角度出發(fā)，為了能夠比較全面地對臺階壓強特性進行了解，分析工作從2方面進行，一方面是同一臺階內(nèi)部不同水流條件下的壓強特性分析，另一方面是不同臺階面總體壓強分布特性分析。

2 同一臺階內(nèi)部壓強極值點探索

由于與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面承受寬尾墩水舌的沖擊射流作用比較強烈，因此關(guān)于臺階內(nèi)部的壓強分析主要圍繞臺階水平面極大值與垂直面極小值進行。

目前關(guān)于臺階面內(nèi)部壓強分布規(guī)律的研究資料比較多，文獻［4］認為：臺階水流總體呈現(xiàn)滑移流特征，但臺階內(nèi)部卻呈現(xiàn)順時針漩滾流態(tài)，如果定義臺階寬度為b，臺階高度為h，則順時針漩滾的水流使臺階水平面壓強由內(nèi)向外首先呈現(xiàn)遞減趨勢，在距內(nèi)邊緣0．3 b處出現(xiàn)最小壓強，在最小值之外又開始逐漸增加，在距內(nèi)邊緣（0．7～0．8）b處出現(xiàn)最大壓強，最大壓強之后又開始逐漸減??；臺階垂直面從底部到頂部逐漸減小，最小值出現(xiàn)在頂部。文獻［5］又認為：臺階水平面最大壓強值出現(xiàn)在距內(nèi)邊緣（0．7～0．9）b處。

通過大朝山工程試驗與原型觀測資料對比分析發(fā)現(xiàn)［6］，與Y型寬尾墩聯(lián)合使用的臺階垂直面壓強分布規(guī)律與文獻［4，5］測試結(jié)果一致，最小值出現(xiàn)在頂部，但水平面壓強分布規(guī)律與文獻［4，5］有差別。對工程中2個比較典型的臺階水平面壓強值進行統(tǒng)計如表1所示。從表中可以看出，在所分析的資料中，臺階水平面壓強由內(nèi)向外也呈現(xiàn)遞增的趨勢，但最大壓強出現(xiàn)在0．86 b處，且邊緣0．80 b～0．86 b之間，壓強變化梯度比較大，如果依此趨勢分析，則壓強極大值有可能出現(xiàn)于臺階面更靠近邊緣的位置，在邊緣并未出現(xiàn)減小的趨勢。這一分析結(jié)果表明，與Y型寬尾墩聯(lián)合使用的臺階內(nèi)部壓強最大值必然出現(xiàn)在靠近邊緣的位置。

表1 臺階水平面壓強變化分布表Table 1 Variation of pressure intensity on the horizontal plane of a step

圖1 臺階內(nèi)部壓強分布Fig．1 Pressure distribution inside each step

在思林工程模型試驗研究中［7］，對與X型寬尾墩聯(lián)合使用的部分臺階面內(nèi)部壓強分布規(guī)律又進行了測試，測試結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，臺階垂直面與文獻［4］及大朝山工程資料分析結(jié)果一致，最小值出現(xiàn)在0．1 h處（試驗中可測的最頂部）。臺階水平面壓強分布規(guī)律與文獻［4］也不同。圖中距臺階外邊緣0．12b處，壓強仍在增加，即臺階水平面壓強極大值出現(xiàn)的位置，可能比大朝山工程測試結(jié)果更靠近臺階外邊緣。該測試結(jié)果表明，與X型寬尾墩聯(lián)合使用的臺階內(nèi)部壓強分布規(guī)律與無寬尾墩也不同，但與Y型寬尾墩聯(lián)合使用的臺階內(nèi)部壓強分布規(guī)律卻比較接近。

對上述不同形式的臺階面水流流態(tài)進行對比發(fā)現(xiàn)。大朝山與思林工程資料是通過原型和1∶50，1∶40模型，對與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面水流進行的測試研究，且研究工況的工程實際單寬過流量均在180～200 m3／（s·m）。而文獻［4，5］只是通過一個模型對無寬尾墩臺階面水流進行測試研究，其模型中的臺階高度為5～10 cm，臺階面坡比分別為1∶1．732，1∶0．80，1∶0．58，模型單寬流量為0．05～0．31 m3／（s·m）。如果將這些資料按1∶50的模型進行換算，可發(fā)現(xiàn)，其臺階高度最小值為2．5 m，特別是文獻［4］的臺階面坡比為1∶0．8，與此處非常接近，而臺階面實際單寬過流量大約只有17～112 m3／（s·m）。

對上述資料的試驗條件對比后發(fā)現(xiàn)，文獻［4，5］所研究的臺階單寬流量，對于其臺階高度而言比較小，因此臺階內(nèi)部水流漩滾速度應(yīng)該比大單寬過流時要小一些，且臺階水流基本呈現(xiàn)二元水流特征，無其它干擾現(xiàn)象存在。而與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面，一方面過流量比較大，水流又并非完整的二元水流流態(tài)，臺階內(nèi)部水流的漩滾受到臺階邊緣以外大流量的擠壓、干擾，漩滾有破裂現(xiàn)象存在；另一方面寬尾墩形成的沖擊射流對臺階邊緣角隅的沖擊作用更加明顯，因此臺階面最大壓強值在試驗可測試的范圍內(nèi)，更靠近邊緣。

對上述分析結(jié)果進行總結(jié)，可有以下初步結(jié)論：對于與寬尾墩聯(lián)合使用的大單寬過流臺階面而言，臺階水平面極大值一般出現(xiàn)在臺階的外邊緣處，與文獻［4，5］關(guān)于無寬尾墩臺階水平面壓強研究規(guī)律有一定差別。臺階垂直面極小值一般出現(xiàn)在臺階頂部尖角附近。

3 臺階面總體壓強分布

模型試驗中，在40～50個臺階的水平面外邊緣（0．9 b），以及垂直面頂邊緣（0．9 h）布置壓強測點，進行不同臺階形式的臺階總體壓強試驗測試分析。

3．1臺階水平面總體壓強分布

圖2臺階水平面總體壓強分布Fig．2 Pressure distribution of general steps on horizontal

圖2 是不同臺階高度、不同臺階坡比及不同寬尾墩時，臺階水平面邊緣沖擊壓強變化規(guī)律圖。其中臺階高度h分別為0．9，1．2 m，臺階面坡比i分別為1∶0．7，1∶0．75。臺階位置高度是指所測試的臺階距消力池底板的高差，P為臺階面壓強實測值，H為所測試驗組次的堰上水頭，此處H取值基本在19．0～20．5 m之間，對應(yīng)的單寬流量為180～200 m3／（s·m），下游無任何尾水，臺階面水流均為自由過流形式。

圖2（a）與圖2（b）的堰面均設(shè)置X型寬尾墩，其中圖2（a）是臺階面坡比相同，而臺階高度不同時的分布規(guī)律，從圖中可以看出，兩條線的變化規(guī)律基本相同，沖擊壓強沿程增加，最大時與堰上水頭基本一致。這一分析結(jié)果說明，工程中目前應(yīng)用的臺階高度對其水平面總體壓強分布影響很??；圖2（b）是臺階高度相同，但臺階坡比分別為1∶0．7和1∶0．75的壓強分布規(guī)律，從圖中可以看出，在前半部分，壓強變化受坡比影響比較小，而在后半部分，壓強受坡比的影響開始增加，即坡度陡時，臺階水平面壓強沿程增加的幅度小，而坡度比較平緩時，沿程壓強增加的幅度比較大，這一變化規(guī)律與WES堰面的肥瘦變化比較相似。因此從工程應(yīng)用的角度而言，臺階面坡度選取時，既要考慮壩面的穩(wěn)定問題，也要考慮臺階水平面邊緣可能承受的水流沖擊壓強值。

圖2（c）是臺階高度為0．9 m、臺階面坡比為1∶0．75，堰面使用X寬尾墩時，不同堰上水頭在臺階水平面產(chǎn)生的相對壓強分布規(guī)律。從圖中可以看出，低水頭時，相對壓強比較大，最大值已超過堰上水頭，最大值大約1．2H；而中高水頭時，相對壓強反而小，在后半部分，雖然有一點變化，但變化很小，從0．6H左右增加到最大值為（0．8～1．0）H。如果進一步對不同水位的量值進行對比，可以看出，基本都在120～160 kPa之間，最大不超過200 kPa。由此可以說明，目前工程中，與X寬尾墩聯(lián)合使用的臺階水平面承受的水流沖擊壓強值一般在120～160 kPa之間，最大不超過200 kPa。

圖2（d）是臺階高度為0．9 m、臺階面坡比為1∶0．75，堰面使用不同寬尾墩的臺階水平面壓強分布規(guī)律。從圖中可以看出，前半部分，3個壓強分布比較一致，水流沖擊臺階，都出現(xiàn)一些跳躍現(xiàn)象，但在后半部分，差距逐漸增加，無寬尾墩時，臺階水平面壓強沿程分布趨于平穩(wěn)，無明顯的較大波動與跳躍性出現(xiàn)，總壓強值基本穩(wěn)定在1／3堰上水頭附近；與X型寬尾墩聯(lián)合使用時，相對于無寬尾墩水流而言，臺階水平面壓強出現(xiàn)一定跳躍性，但跳躍性不是很大，且壓強值也有所增加；而與Y型寬尾墩聯(lián)合使用時，臺階水平面壓強跳躍性增加比較明顯，沿程基本以鋸齒狀出現(xiàn)，這一結(jié)果與文獻［8］試驗結(jié)果一致。

從3條線的后半部分可以看出，無墩時壓強值最小，使用Y型寬尾墩時最大，平均值與堰上水頭比較接近，個別點超過1．2H，使用X型寬尾墩時，基本處于二者中間，這一結(jié)果與前面臺階內(nèi)部壓強分布比較一致。由于無墩時，臺階內(nèi)部水流漩滾比較完整，最大壓強可能出現(xiàn)在距內(nèi)邊緣（0．7～0．8）b處［4］，而此處測點位于距內(nèi)邊緣0．9b處，已經(jīng)位于壓強的減小段，因此，實測到的壓強值要小一些。臺階面與寬尾墩聯(lián)合使用時，寬尾墩的收縮射流作用使臺階水平面最大壓強向邊緣移動，相對于Y型寬尾墩的完全收縮而言，X型寬尾墩底部開口的全斷面過流為上層縱向射流提供一個動水墊層，使臺階面水流表現(xiàn)出的特征基本處于無墩與Y墩之間，因此其總壓強值位于二者之間。

3．2臺階垂直面總體壓強分布

圖3是臺階垂直面總體壓強分布的2個代表性規(guī)律圖，其中圖3（a）是臺階高度為0．9 m、臺階面坡比為1∶0．75、堰面使用X型寬尾墩時，不同堰上水頭的臺階垂直面總體壓強分布規(guī)律。從圖中可以看出，雖然堰上水頭相差比較大，但臺階垂直面壓強很接近，基本都在0～50 kPa之間波動，個別點出現(xiàn)負壓，但負壓值均不超過-20 kPa。對負壓極值出現(xiàn)位置進行觀察發(fā)現(xiàn)，負壓極值出現(xiàn)在臺階前半段。對一般與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面而言，這一區(qū)域基本是臺階面摻氣量較大的位置，因此也不會出現(xiàn)空蝕破壞問題。而在后半段，負壓最大不超過-5 kPa。由此可以說明，與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面大單寬過流基本無空蝕破壞問題。

圖3 臺階垂直面總體壓強分布Fig．3 Pressure distribution of general steps on vertical

再對不同臺階高度、不同臺階坡比的臺階垂直面總體壓強分布規(guī)律進行測試研究后發(fā)現(xiàn)，無論臺階高度變化為1．2 m、還是臺階坡比變換為1∶0．7，臺階垂直面總體壓強分布規(guī)律與圖3（a）基本相同，差別很小。由此可以說明，與X型寬尾墩聯(lián)合使用的臺階垂直面最小壓強基本都在0～50 kPa之間波動，個別點有負壓出現(xiàn)，但負壓值均不超過-20 kPa。

圖3（b）是臺階高度為0．9 m、臺階面坡比為1∶0．75、堰面分別使用X，Y型寬尾墩時，臺階垂直面總體壓強分布規(guī)律，從圖中可以看出，壓強值都在零壓附近振蕩，但使用X墩時，基本為正壓，個別點出現(xiàn)負壓，而使用Y墩時，少部分為正壓，大部分為負壓。前面臺階水平面總體壓強分布規(guī)律中已經(jīng)指出，使用Y墩時，水流沖擊作用比較大，臺階內(nèi)部水流漩滾作用強烈，所以水平面承受的沖擊壓就比較大，同時其垂直面承受的負壓也就比較大。另外從圖3（b）中還可以看出，無論X墩、還是Y墩，臺階垂直面最小壓強均不超過-20 kPa，因此水流出現(xiàn)空化可能性也應(yīng)很小，這也正是寬尾墩與臺階面聯(lián)合使用，臺階面可以通過大單寬流量的主要原因之一。

4 結(jié)語

系列模型試驗資料與原型資料統(tǒng)計分析結(jié)果表明：與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階內(nèi)部壓強分布規(guī)律與無寬尾墩的臺階面內(nèi)部壓強分布規(guī)律不同，臺階水平面極大值一般出現(xiàn)在臺階的外邊緣處，垂直面極小值一般出現(xiàn)在頂面附近。臺階水平面總體壓強分布規(guī)律與堰面使用的寬尾墩形式有關(guān)，使用Y墩時呈現(xiàn)比較明顯的鋸齒狀分布，無墩時比較平緩，使用X墩時壓強分布處于二者之間；臺階面坡比對臺階水平面沖擊壓強有一定影響，臺階高度無影響，且最大沖擊壓強值與堰上水頭比較接近。臺階垂直面最小壓強基本在-20～50 kPa之間變化，變化范圍與堰面使用寬尾墩形式有關(guān)，受臺階高度、坡比影響很小。使用Y墩時，垂直面總體壓強值比X墩小，但最小值也不超過-20 kPa，因此水流出現(xiàn)空蝕破壞的可能性很小。

［1］艾克明．臺階式泄槽溢洪道的應(yīng)用狀況淺析［C］∥尹洪昌．泄水工程與高速水流．長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2000：1-9．

［2］尹進步，梁宗祥，龔紅林．X寬尾墩應(yīng)用與發(fā)展的試驗研究［J］．水力發(fā)電學(xué)報，2007，（4）：36-39．

［3］陳群，戴光清，劉浩吾．階梯式溢流壩研究綜述［J］．水利水電科技進展，2002，（1）：47-50．

［4］曾東洋，張志昌，劉亞菲，等．臺階式溢洪道滑行水流時均壓強特性研究［J］．陜西水力發(fā)電，2001，（4）：11-14．

［5］張志昌，曾東洋，鄭阿漫，等．臺階式溢洪道滑行水流壓強特性的試驗研究研究［J］．水動力學(xué)研究與進展，2003，18（5）：652-659．

［6］尹進步．大朝山水電站表孔減壓水力模型試驗報告［R］．陜西楊凌：水利部西北水利科學(xué)研究所實驗中心，2004．

［7］尹進步．烏江思林水電站水工水力學(xué)模型試驗報告［R］．陜西楊凌：水利部西北水利科學(xué)研究所實驗中心，2005．

［8］林可冀，韓立，鄧毅國，等．大朝山水電站泄水建筑物初期運行情況［J］．水利水電勘測設(shè)計，2003，（1）：1-14．

（編輯：易興華）

Skimming Flow Pressure Characteristics on Joint Energy Dissipation of Stepped Dam-face&Flaring Gate Piers

LIANG Zong-xiang1，YIN Jin-bu1，ZHENG Zhi2，LU Hong2，GONG Hong-lin1
（1．Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forest，Yangling Chian 712100，China；2．Guiyang Hydropower Investigation Design&Research Institute，CHECC）

With the development of RCC technology，the joint energy dissipation of flaring gate pier and stepped dam-face has been applied in a lot of hydraulic engineerings．On the basis of the information of experimental test and prototype observation，the paper sums up the law on flow pressure on each step&general steps．As a result，the pressure distributions of each step and entire steps is mainly related to the type of flaring gate pier，the influence of the skimming slope on general pressure is rather small，without any effect with step height．

hydraulics；skimming flow；hydraulic model test；flaring gate pier；pressure

TV131．4

A

1001-5485（2009）03-0017-04

2008-11-25

中國水電顧問集團科研課題（CHC-KJ-2004-05-01）

梁宗祥（1964-），男，陜西寶雞人，高級工程師，主要從事水工水力學(xué)研究工作，（電話）13772180505（電子信箱）liangzx＠nwsuaf．edu．cn。