摻氣坎與過渡階梯聯(lián)合作用對(duì)階梯面摻氣特性的影響研究

湯建青，楊具瑞

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500)

0 引 言

隨著擋水建筑物不斷向百米級(jí)的迅速發(fā)展與進(jìn)步，我國(guó)學(xué)者提出將Y型寬尾墩、階梯溢流壩與消力池相結(jié)合的聯(lián)合消能形式取得較好的效果[1-4]。雖然這種聯(lián)合消能工彌補(bǔ)了寬尾墩和階梯溢流壩獨(dú)立消能時(shí)的缺陷，但在大單寬流量、高水頭以及寬尾墩與階梯溢流壩連接設(shè)置不佳、水流難以較平穩(wěn)的銜接與過渡時(shí)，依舊會(huì)產(chǎn)生下泄水流在階梯面的覆蓋而導(dǎo)致壩面空化空蝕、階梯壩面通氣及下泄水舌不穩(wěn)定等問題[4-8]。彭勇等人[9]由實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)階梯溢流道上的下泄水流的單寬流量超過50 m2/s，下泄水流對(duì)階梯段的沖刷作用主要出現(xiàn)在前幾級(jí)臺(tái)階。田嘉寧[10]、Stephenson[11]等人通過試驗(yàn)得出，階梯尺寸越大，階梯面水流摻混越劇烈，從而對(duì)階梯溢流壩的消能效果越明顯。胡耀華、張挺等人[12-14]對(duì)寬尾墩、階梯溢流壩和消力池的聯(lián)合消能進(jìn)行數(shù)值模擬，證明在高水頭、大單寬流量情況下，階梯溢流壩面上水深將會(huì)增大，水舌底部摻氣量將會(huì)降低，且在第一級(jí)階梯垂直面與WES曲線段尾部的交接處將會(huì)存在一定大小的負(fù)壓。王強(qiáng)等人[15]對(duì)阿海水電站通過數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)等方法得知，首級(jí)階梯垂直面與WES曲線段尾部的交接處存在較大負(fù)壓，并且得到首級(jí)階梯尺寸對(duì)階梯溢流壩的消能效果影響最大的結(jié)論。例如，丹江口水庫的階梯式溢洪道在宣泄120 m2/s的單寬流量洪水后，階梯面上亦出現(xiàn)了大面積的空蝕坑；水東水電站采用階梯式溢洪道與寬尾墩聯(lián)合消能工，該電站泄水建筑物在宣泄單寬流量為90 m2/s時(shí)，溢洪道出現(xiàn)輕微的破壞；阿海水電站亦是采用寬尾墩、階梯溢流壩和消力池的聯(lián)合消能形式，但其泄水建筑物宣泄水流時(shí)間不到半年，階梯面就出現(xiàn)部分空蝕空化破壞。因此，人為減小階梯壩面的負(fù)壓，并且為水舌底部創(chuàng)造摻氣條件，以此來削弱溢流壩面的空蝕破壞，這對(duì)聯(lián)合消能形式往高水頭、大單寬流量的發(fā)展具有一定意義。近年來，對(duì)過渡階梯的個(gè)數(shù)、體型及其組合等方面研究頗多，但過渡階梯改變的實(shí)質(zhì)為階梯的摻氣面積大小，而過渡階梯的摻氣面積大小對(duì)聯(lián)合消能形式的水力特性影響，缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)研究與結(jié)果分析[16-17]；此外，在不同摻氣坎體型作用下的不同過渡階梯組合試驗(yàn)卻研究甚少。本文以阿海水電站為原型，將階梯溢流壩的前六級(jí)階梯設(shè)置為過渡階梯，設(shè)計(jì)成四種不同摻氣面積的過渡階梯體型，并且在寬尾墩墩尾與過渡階梯銜接處亦設(shè)置四種不同體型的摻氣坎體型，對(duì)過渡階梯與摻氣坎的不同體型進(jìn)行組合，共采取十二組試驗(yàn)方案進(jìn)行分析對(duì)比，研究不同體型摻氣坎與過渡階梯的聯(lián)合作用，在高水頭、大單寬流量下的階梯面摻氣特性，為寬尾墩與階梯溢流壩聯(lián)合消能工的發(fā)展提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨冈O(shè)計(jì)

1.1 模型設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以阿海水電站作為試驗(yàn)原型，選取該電站泄水建筑物左岸五個(gè)溢流表孔中的兩個(gè)溢流表孔為試驗(yàn)對(duì)象。模型的整體結(jié)構(gòu)采用透明有機(jī)玻璃進(jìn)行制作，按1∶60的重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，且各泄水建筑物與模型地形等方面的空間尺寸、加工工藝的精度以及高程的安裝精度等方面皆滿足《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程(SL155-2012)》中的標(biāo)準(zhǔn)。壩體由兩孔溢流表孔組成，單孔寬度為216.67 mm，溢流堰模型為WES堰型，曲線段上部為Y型寬尾墩，其收縮比為0.445，側(cè)收縮角為18.52°；后接坡度1:0.75的29個(gè)12.5 mm×16.67 mm(寬×高)的階梯溢流壩段以及半徑833.3 mm、角度53°的反弧段，下接消力池底板，采用寬尾墩+階梯溢流壩+消力池聯(lián)合消能方式。且模型與原型之間根據(jù)水流連續(xù)相似條件和重力相似準(zhǔn)則得出以下各比尺的相似條件。詳見表1。

表1 模型比尺關(guān)系Tab.1 The model of scale relation

1.2 方案設(shè)計(jì)

為研究不同體型摻氣坎與過渡階梯對(duì)階梯溢流壩面摻氣特性的影響，本文的摻氣坎體型采取兩種不同高度(H)：16.67 mm和11.67 mm,以及兩種不同角度(β)：8°和10°，分別為H=11.67 mm、β=8°(體型A)，H=11.67 mm、β=10°(體型B)，H=16.67 mm、β=8°(體型C)和H=16.67 mm、β=10°(體型D)共四種；以原阿海水電站寬尾墩墩尾所接的29級(jí)均勻階梯溢流壩中的前6級(jí)12.5 mm×16.67 mm(寬×高)的均勻階梯作為過渡階梯；體型a將前6級(jí)12.5 mm×16.67 mm(寬×高)的均勻階梯修改為3級(jí)25 mm×33.33 mm(寬×高)的大階梯；體型b則在體型a的基礎(chǔ)上，加上3個(gè)18.75 mm×16.67 mm(寬×高)的階梯形成過渡階梯；體型c則在體型a的基礎(chǔ)上，加上3個(gè)12.5 mm×25 mm(寬×高)的階梯形成過渡階梯；體型d則在體型a的基礎(chǔ)上，加上3個(gè)18.75 mm×25 mm(寬×高)的階梯形成過渡階梯；4種不同體型的過渡階梯均接23級(jí)均勻階梯溢流壩段。本文的水工模型試驗(yàn)使用的試驗(yàn)場(chǎng)地為昆明勘察設(shè)計(jì)研究院水工所實(shí)驗(yàn)室，水工試驗(yàn)的整體模型結(jié)構(gòu)均由水科所專業(yè)的模型制作者按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的制作，且對(duì)模型各個(gè)方面的尺寸精度皆進(jìn)行了嚴(yán)格控制，其整體尺寸的誤差皆控制在±1 mm以內(nèi)，在對(duì)水工模型進(jìn)行整體試驗(yàn)之前，已根據(jù)有關(guān)規(guī)程、設(shè)計(jì)圖紙等具體材料對(duì)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院水工所提供的實(shí)驗(yàn)室供水系統(tǒng)以及堰板等模型進(jìn)行了反復(fù)檢測(cè)和復(fù)檢，確保水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱髋c安裝完全符合有關(guān)規(guī)程的要求。試驗(yàn)方案則將四種不同摻氣坎與過渡階梯進(jìn)行組合，一共16組方案，分析摻氣坎與過渡階梯對(duì)階梯溢流壩面摻氣特性的影響，各不同摻氣坎與過渡階梯的試驗(yàn)方案見圖1和圖2。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)主要對(duì)階梯面摻氣空腔長(zhǎng)度、摻氣面積以及摻氣濃度等摻氣特性進(jìn)行測(cè)量。階梯面摻氣空腔長(zhǎng)度采用鋼尺測(cè)量，精度為1 mm，量測(cè)1號(hào)表孔的下泄水股在階梯面上的摻氣空腔長(zhǎng)度值；摻氣空腔面積實(shí)測(cè)挑射空腔水舌下緣與階梯面形成的包絡(luò)面面積，誤差范圍1%；摻氣濃度采用環(huán)形桿式CQ6-2005型摻氣濃度傳感器進(jìn)行測(cè)量。采取5 000 年一遇(P=0.02%)的校核洪水位進(jìn)行試驗(yàn)，相應(yīng)模型的洪峰流量為0.628 m3/s。摻氣濃度測(cè)點(diǎn)布置主要分布在階梯溢流壩段，分別為：樁號(hào)0+046.783 m、0+049.033 m、0+051.283 m、0+053.533 m、0+055.783 m、0+058.033 m、0+060.283 m，記作樁號(hào)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ共7個(gè)測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)布置見圖3，而試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木唧w結(jié)構(gòu)見圖4。

圖1 摻氣坎體型(單位：mm)Fig.1 The type of aerator

圖2 過渡階梯體型Fig.2 The type of transition steps

圖3 樁號(hào)圖Fig.3 The figure of station

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木唧w結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The concrete structure of the test model

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摻氣坎高度與過渡階梯體型聯(lián)合作用對(duì)階梯溢流壩面摻氣特性的影響

針對(duì)摻氣坎體型中的高度與過渡階梯體型的聯(lián)合作用對(duì)階梯溢流壩面摻氣特性的影響進(jìn)行試驗(yàn)。由前人研究可知，摻氣坎角度一般的選取范圍在8°～11.3°，試驗(yàn)選取一個(gè)保守的摻氣坎角度為8°，摻氣坎高度分別為11.67 mm和16.67 mm，即摻氣坎體型選取A和C；而過渡階梯體型則選取a、b、c和d進(jìn)行組合，得到Aa、Ab、Ac、Ad、Ca、Cb、Cc、Cd共8組試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對(duì)比分析，具體模型見圖5和圖6。

圖5 8°/11.67 mm的摻氣坎與過渡階梯組合模型(單位：mm)Fig.5 The 8 angle/11.67 millimeter aerator and transition steps of combination model

圖6 8°/16.67 mm的摻氣坎與過渡階梯組合模型(單位：mm)Fig.6 The 8 angle/16.67 millimeter aerator and transition steps of combination model

2.1.1 階梯溢流壩面的空腔長(zhǎng)度

Y型寬尾墩墩尾對(duì)下泄水流存在約束力，水體受寬尾墩的擠壓，致使在下泄的過程中形成縱向水股，因此階梯溢流壩面上僅在寬尾墩墩尾處存在下泄水流，而階梯面上的其他位置皆為無水區(qū)。下泄水流在前幾級(jí)階梯與階梯溢流壩面產(chǎn)生分離，水舌底部和階梯面之間形成摻氣空腔[18]。摻氣空腔的長(zhǎng)度量測(cè)即可通過無水階梯的個(gè)數(shù)來進(jìn)行確定，表2為不同方案下的摻氣空腔長(zhǎng)度。

表2 摻氣空腔長(zhǎng)度值Tab 2 The length of aerated cavity

由表2可知，摻氣空腔長(zhǎng)度最大值出現(xiàn)在過渡階梯體型a與摻氣坎體型C這一組合，為229.21 mm；一方面，在摻氣坎角度為8°時(shí)，通過對(duì)體型Aa和Ca兩組試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，摻氣坎高度為16.67 mm時(shí)的空腔長(zhǎng)度較11.67 mm提升約22.2%；通過對(duì)體型Ab和Cb、Ac和Cc四組試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，摻氣坎高度為16.67 mm時(shí)的空腔長(zhǎng)度較11.67 mm提升約12.5%；通過對(duì)體型Ad和Cd兩組試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，摻氣坎高度為16.67 mm時(shí)的空腔長(zhǎng)度較11.67 mm提升約16.7%；由此可知，在摻氣坎角度為8°、過渡階梯體型為四種體型中任意一種時(shí)，摻氣坎高度越大，摻氣空腔長(zhǎng)度提升越明顯；分析得出，下泄水流在通過寬尾墩進(jìn)入到階梯溢流壩時(shí)，被摻氣坎微微挑起以致其下緣與階梯距離增大，在慣性力的作用下，水流射擊的距離變長(zhǎng)，最終表現(xiàn)為摻氣空腔長(zhǎng)度值升高。另一方面，通過對(duì)體型Aa、Ab、Ac、Ad以及Ca、Cb、Cc、Cd八組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，摻氣高度一定時(shí)，過渡階梯體型a較b的摻氣空腔長(zhǎng)度提升約22.2%，過渡階梯體型b、c較d的摻氣空腔長(zhǎng)度提升約33.3%，而過渡階梯體型b與c的摻氣空腔長(zhǎng)度幾乎相同；由此可知，在摻氣坎體型為8°和16.67 mm(或11.67 mm)、過渡階梯體型越大，摻氣空腔長(zhǎng)度提升越顯著；分析得出，下泄水流到達(dá)階梯溢流壩時(shí)，過渡階梯體型越大，越有利于階梯面與水舌下緣形成的包絡(luò)面從階梯溢流壩的無水區(qū)進(jìn)行強(qiáng)迫摻氣，以致過渡階梯面摻氣量的增加而利于摻氣空腔長(zhǎng)度的發(fā)展，最終表現(xiàn)為摻氣空腔長(zhǎng)度值的提升。

2.1.2 階梯溢流壩面的摻氣面積

過渡階梯體型的改變以及摻氣坎高度的變化，兩者組合方案下的摻氣面積見表3。由表3可知，Ca的摻氣面積值最大，為2 917.25 mm2；在摻氣坎角度為8°、摻氣坎高度為11.67 mm時(shí)，通過對(duì)體型Aa、Ab、Ac、Ad四組試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，四組方案的摻氣面積大小呈現(xiàn)的關(guān)系為Aa>Ac>Ab>Ad，Aa較Ab和Ac提升100.9%，較Ad則更是提升123.1%，而Ac的摻氣面積略大于Ab為0.19 mm2，兩者相差甚小，可忽略不計(jì)；由此可知，Aa的摻氣面積遠(yuǎn)大于Ab、Ac和Ad，說明過渡階梯體型的改變對(duì)摻氣面積的作用非常明顯，而過渡階梯的不同主要表現(xiàn)為添加階梯的尺寸不同，即過渡階梯內(nèi)添加階梯的尺寸越小，所占摻氣空間越小，過渡階梯與水舌下緣面之間形成的包絡(luò)面越大，即摻氣面積則越大；Ac與Ab過渡階梯內(nèi)添加階梯的尺寸相近，而Ac與Ab兩者間的摻氣面積又相差甚小，亦表明過渡階梯與水舌下緣面之間形成的包絡(luò)面與摻氣面積的聯(lián)系。

表3 摻氣面積值Tab 3 The value of aeration area

在摻氣坎角度為8°、摻氣坎高度為16.67 mm時(shí)，通過對(duì)體型Ca、Cb、Cc、Cd四組試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，四組方案的摻氣面積大小呈現(xiàn)的關(guān)系亦為Ca>Cc>Cb>Cd，Ca較Cb和Cc提升86.65%，較Cd則更是提升165.46%，而Cc的摻氣面積略大于Cb為0.18 mm2，兩者相差甚小，幾乎可以忽略不計(jì)；由此可知，摻氣坎高度為16.67 mm時(shí)，摻氣面積的改變亦符合摻氣坎高度為11.67 mm的趨勢(shì)；摻氣坎高度為11.67 mm時(shí)，方案Aa較Ad的摻氣面積增大1 224.50 mm2，而摻氣坎高度為16.67 mm時(shí)，方案Ca較Cd的摻氣面積增大1 818.32 mm2，表明摻氣坎高度的增加，過渡階梯體型的改變對(duì)摻氣面積的提升更為有利；此外，在摻氣坎角度為8°、過渡階梯體型為四組體型中任意一種時(shí)，通過對(duì)Aa和Ca、Ab和Cb、Ac和Cc、Ad和Cd等體型之間進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這八組方案的摻氣面積表現(xiàn)為Aa

2.1.3 階梯溢流壩面的摻氣濃度

階梯溢流壩上的水流摻氣量須達(dá)到一定程度才可有效避免空蝕破壞，這要求水流通過寬尾墩后形成良好的挑射形態(tài)，保證水流在下泄的過程中不斷地進(jìn)行摻氣[5]；從階梯溢流壩面第11級(jí)階梯開始設(shè)置摻氣濃度測(cè)點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的樁號(hào)為Ⅰ，測(cè)點(diǎn)間距為3個(gè)均勻階梯，布置到29級(jí)階梯處時(shí)，共7個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的樁號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ；通過環(huán)形桿式CQ6-2005型摻氣濃度傳感器進(jìn)行測(cè)量，其試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

由圖7可知，每組方案中的摻氣濃度最大值出現(xiàn)在樁號(hào)Ⅶ，而8組試驗(yàn)方案中的摻氣濃度最大值為方案Ca的樁號(hào)Ⅶ，為87%；在摻氣坎角度為8°、摻氣坎高度為11.67 mm時(shí)，一方面，通過對(duì)體型Aa、Ab、Ac、Ad四組試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在樁號(hào)I處的摻氣濃度值的大小關(guān)系為Aa最大(72.3%)，Ac(64.4%)與Ab(64.3%)次之，Ad最小(61.7%)，Aa相對(duì)于Ad的摻氣濃度值提升10.6%，而Ab與Ac兩者的摻氣濃度值近乎相等，且兩者也比Ad高2.6%，說明摻氣坎體型一定時(shí)，過渡階梯體型的變化引起摻氣空腔長(zhǎng)度和摻氣面積的改變，對(duì)摻氣濃度的提升較為顯著；另一方面，通過對(duì)比樁號(hào)Ⅰ與Ⅶ處的摻氣濃度值得知，Aa在階梯溢流壩面上的摻氣濃度值提升為11.4%，Ab、Ac、Ad分別為10%、9.1%和9.2%，四種不同體型過渡階梯的摻氣濃度值的提升幅度相差不大，主要區(qū)別在樁號(hào)I處的摻氣濃度值的起始值不同，說明摻氣濃度的提升主要取決于和摻氣坎相接的首級(jí)過渡階梯體型。

圖7 摻氣濃度Fig.7 The value of aeration concentration

此外，在摻氣坎角度為8°、過渡階梯體型為四組體型中任意一種時(shí)，通過對(duì)Aa和Ca、Ab和Cb、Ac和Cc、Ad和Cd等體型進(jìn)行分析可知，從樁號(hào)I到VII的摻氣濃度，每一個(gè)樁號(hào)處皆為Aa

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的摻氣水流Fig.8 The aerated water flow at the test site

2.2 摻氣坎角度與過渡階梯體型聯(lián)合作用對(duì)階梯溢流壩面摻氣特性的影響

針對(duì)摻氣坎體型中的角度與過渡階梯的聯(lián)合作用對(duì)階梯溢流壩面摻氣特性的影響進(jìn)行試驗(yàn)。由上述研究結(jié)論可知，摻氣坎高度選取為16.67 mm為宜，固定摻氣坎高度為16.67 mm，摻氣坎角度為8°和10°，即摻氣坎體型選取C和D；過渡階梯體型仍選取a、b、c和d，組合成Ca、Cb、Cc、Cd、Da、Db、Dc、Dd共8組試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對(duì)比分析，具體模型見圖6和圖9。

圖9 10°/16.67 mm的摻氣坎與過渡階梯組合模型(單位：mm)Fig.9 The 10 angle/16.67 millimeter aerator and transition steps of combination model

2.2.1 階梯溢流壩面的空腔長(zhǎng)度

為驗(yàn)證不同摻氣坎角度與過渡階梯體型的聯(lián)合作用對(duì)階梯溢流壩面摻氣空腔長(zhǎng)度的影響，通過摻氣坎角度8°、10°和四組不同過渡階梯體型進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得摻氣空腔長(zhǎng)度如表4所示。

表4 摻氣空腔長(zhǎng)度值Tab 4 The length of aerated cavity

由表4可知，試驗(yàn)方案Da的摻氣空腔長(zhǎng)度值最大，為270.89 mm；在摻氣坎高度為16.67 mm時(shí)，通過對(duì)方案Da和Ca兩組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比得出，摻氣坎角度為10°時(shí)的空腔長(zhǎng)度較8°提升約18.18%，而方案Db和Cb、Dc和Cc、Dd和Cd六組試驗(yàn)，則分別提升約11.11%、11.11%和14.28%，由此可知，在摻氣坎高度為16.67 mm、過渡階梯體型為四種體型中任意一種時(shí)，摻氣坎角度增大，摻氣空腔長(zhǎng)度值也隨之增大，且過渡階梯體型越大，其增大成度越明顯；分析可得，下泄水流在通過摻氣坎射入階梯面時(shí)，因摻氣坎角度的增加以致水流下緣與階梯面的距離變大，在慣性力的作用下以致水流下緣射擊接觸到階梯面的位置后移，而體現(xiàn)出摻氣空腔長(zhǎng)度變大。通過對(duì)方案Da、Db以及Ca、Cb四組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得知，當(dāng)摻氣坎角度為8°時(shí)，過渡階梯體型a較b的摻氣空腔長(zhǎng)度提升約22.22%，而摻氣坎角度為10°時(shí)，過渡階梯體型a較b的摻氣空腔長(zhǎng)度提升約30%，由此可知，在摻氣坎角度越大的基礎(chǔ)上，過渡階梯體型的增大更適合階梯面進(jìn)行摻氣，以致水流下緣受階梯面因負(fù)壓而產(chǎn)生的脅迫力較小，故水流下緣與階梯面接觸的時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，即摻氣空腔長(zhǎng)度值增大。

2.2.2 階梯溢流壩面的摻氣面積

不同試驗(yàn)方案下的摻氣面積值見表5。由表5可知，摻氣面積最大值出現(xiàn)在過渡階梯體型a與摻氣坎體型D這組試驗(yàn)方案，為3 335.32 mm2；摻氣坎角度不論為8°亦或是10°時(shí)，多組試驗(yàn)方案表現(xiàn)的關(guān)系皆為Ca>Cc>Cb>Cd和Da>Dc>Db>Dd，對(duì)比各組方案中摻氣面積相差最大的兩組試驗(yàn)可得，Ca較Cd提升165.46%，而Da較Dd則更提升177.22%，說明同一角度下，過渡階梯體型的改變，影響到階梯面與水流下緣之間形成的包絡(luò)面大小，進(jìn)而階梯面的摻氣面積也因此而變化；摻氣坎角度越大，過渡階梯體型的改變對(duì)階梯面摻氣能力的影響就越加明顯，同時(shí)對(duì)摻氣空腔長(zhǎng)度的增加也越有利，故摻氣面積的提升就越顯著；Cc和Cb的摻氣面積相差0.18 mm2，Dc和Db的摻氣面積相差0.19 mm2，說明過渡階梯體型即便不一致，而階梯面與水流下緣形成的包絡(luò)面相差不大時(shí)，摻氣坎角度對(duì)摻氣面積的作用效果幾乎相同，這也反映出階梯面的摻氣面積的提升，主要取決于摻氣坎角度越大時(shí)，階梯面與水舌下緣形成的包絡(luò)面的大小。此外，在摻氣坎高度為16.67 mm、過渡階梯體型為四組體型中任意一種時(shí)，通過對(duì)Da和Ca、Db和Cb、Dc和Cc、Dd和Cd等體型之間進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這八組方案的摻氣面積表現(xiàn)為Da>Ca、Db>Cb、Dc>Cc、Dd>Cd，Da較Ca增加14.33%、Db較Cb增加13.33%、Dc較Cc增加13.33%、Dd較Cd增加9.48%，由此可知，當(dāng)過渡階梯體型一致時(shí)，摻氣坎角度10°對(duì)摻氣面積的提升優(yōu)于摻氣坎角度8°，且過渡階梯體型越大，摻氣面積提升越高，說明摻氣坎角度增加的基礎(chǔ)上，過渡階梯體型的增大更有利于摻氣面積的增加。

表5 摻氣面積值Tab.5 The value of aeration area

2.2.3 階梯溢流壩面的摻氣濃度

對(duì)8組不同方案進(jìn)行試驗(yàn)，在7個(gè)測(cè)點(diǎn)的摻氣濃度值見圖10。由圖10可知，每組試驗(yàn)中的摻氣濃度最大值出現(xiàn)在樁號(hào)Ⅶ，而8組試驗(yàn)方案中的摻氣濃度最大值為方案Da的樁號(hào)Ⅶ，其值為90.8%；在摻氣坎角度為10°、摻氣坎高度為16.67 mm時(shí)，通過對(duì)體型Da、Db、Dc和Dd四組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比得出，在樁號(hào)I處的摻氣濃度值的大小關(guān)系為Da最大(77.3%)，Dc與Db次之(69.2%、69.1%)，Dd最小(66.5%)，Da相對(duì)于Dd的摻氣濃度值提升10.8%，而Db與Dc兩者的摻氣濃度值近乎相等，但兩者也比Dd高約2.7%，說明過渡階梯體型的改變以致過渡階梯與水流下緣形成的包絡(luò)面的增大，提升了摻氣面積的大小，從而使得過渡階梯處的摻氣濃度值增大，即階梯溢流壩面的摻氣濃度起始值變大；在摻氣坎高度為16.67 mm、過渡階梯體型為四組體型中任意一種時(shí)，通過對(duì)不同角度的摻氣坎體型進(jìn)行分析可知，從樁號(hào)I到Ⅶ的摻氣濃度，每一個(gè)樁號(hào)處皆為Ca

圖10 摻氣濃度Fig.10 The value of aeration concentration

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)前置摻氣坎高度11.67、16.67 mm，角度8°、10°以及4組不同體型的過渡階梯進(jìn)行組合試驗(yàn)，研究不同摻氣坎與過渡階梯體型聯(lián)合作用下對(duì)階梯溢流壩面的摻氣特性的影響，為進(jìn)一步完善寬尾墩與階梯溢流壩聯(lián)合消能工提供依據(jù)，現(xiàn)得出如下結(jié)論：摻氣坎角度與過渡階梯體型一定時(shí)，摻氣坎高度從11.67 mm增至16.67 mm，摻氣空腔長(zhǎng)度最大可提高22.2%，摻氣面積最大可提升41.50%，摻氣濃度最大可增加2.7%；摻氣坎高度與過渡階梯體型一致時(shí)，摻氣坎角度從8°提高為10°，摻氣空腔長(zhǎng)度最大可提高18.18%，摻氣面積最大可提升14.33%，摻氣濃度最大可增加3%；摻氣坎高度為16.67 mm、角度為10°時(shí)，過渡階梯體型的變化對(duì)摻氣特性的影響非常顯著，過渡階梯體型由大階梯上添加18.75 mm×25 mm(寬×高)的過渡階梯改成25 mm×33.33 mm(寬×高)的大階梯，摻氣空腔長(zhǎng)度提高30%，摻氣面積提升177.22%，摻氣濃度提升10.8%；綜上所述，摻氣坎角度與高度適當(dāng)增加，可使水流下緣接觸階梯面的位置后移，摻氣空腔長(zhǎng)度相應(yīng)增加，摻氣面積以及摻氣濃度也隨之提高；且在此基礎(chǔ)上，過渡階梯體型適度增加，過渡階梯與下泄水流下緣形成的包絡(luò)面也隨之增大，即摻氣面積增大；且下泄水流所受脅迫力減小，可增加摻氣空腔長(zhǎng)度；此外，有利于階梯面從無水區(qū)進(jìn)行脅迫摻氣，增加階梯面的摻氣濃度。故前置摻氣坎角度為10°、高度為16.67 mm時(shí)，過渡階梯設(shè)置為25 mm×33.33 mm(寬×高)的大階梯，階梯溢流壩面的摻氣特性為所有方案最優(yōu)。

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