臺階式溢洪道流況的試驗研究

臺階式溢洪道流況的試驗研究

隨著rcc水庫技術的快速發(fā)展，逐步洪水通道在中國得到了廣泛應用，引起了人們的關注。目前,世界上已經有幾十座水庫采用了臺階式消能設施,其最大壩高已達91m,有數座正在設計與施工的最大壩高已達100m以上,中國的大朝山及百色工程都在100m以上。所以臺階式溢洪道的消能問題已成為人們最為關心的問題之一。國內外科技工作者對臺階式溢洪道的消能問題已進行過不少的試驗研究,但至今仍存在著各種不同的說法和結論,因此有必要進一步地研究與探討。為了研究臺階式溢洪道的消能問題,必須首先要搞清楚臺階式溢洪道的水流流況,因為不同流況的水流在臺階上的流動形式、摻氣方式、能量耗散等方面都表現出差異。所以本文先定義了臺階式溢洪道的不同流況,然后分別對各流況下的消能問題進行了分析。1逐步排水道的水流1.1不穩(wěn)定區(qū)域內水體分布一般可將臺階式溢洪道的水流流況分為以下三類:(1)滑行水流(Skimmingflow)。當水流流過臺階表面時,在主流與每一個臺階之間總是形成一個穩(wěn)定的水流旋渦。旋渦的強度主要依賴于臺階式溢洪道坡度的大小和尺寸,旋渦的旋轉方向在與主流接觸的一側,同主流流動的方向一致。當臺階式溢洪道的坡度較大時(30°≤θ≤55°),在各臺階邊緣的連線上形成一個假想的底層,而且在該水面以上至水流表面的流線基本上與底層平行,水面波動較小(圖1a)。當臺階式溢洪道的坡度較小時(5.7°≤θ≤11.3°),旋渦則緊貼臺階立面,在靠近臺階的外側,主流直接沖擊臺階表面,水流表面的形狀受到臺階的影響多少有一些彎曲(圖1b)。(2)跌落水流(Nappeflow)。當臺階的高度相對于來流的水深較大時,水流在每一個臺階上形成一種自然的跌落現象,并且在跌落水舌與臺階水墊之間總是形成一個空腔,臺階空腔內有自由水面形成(圖2a)。當臺階的坡度較緩時,在臺階的下游側,會形成類似水躍或半水躍的水面雍高現象,臺階內水面出現最小值,流線彎曲,并伴有劇烈的紊動現象(圖2b)。(3)過渡水流(Transitionflow)。過渡水流是在滑行水流和跌落水流之間形成的一種水流現象,在有些臺階內出現空腔,但在另外一些臺階內則出現旋渦水流。過渡水流形成很強的水力波動和沖擊波,流況很不穩(wěn)定(圖3a)。ChansonH在分析過渡水流時,把較小坡度(θ=3.4°)的過渡水流分成三個區(qū):水流旋轉區(qū)、水點飛濺區(qū)和急流區(qū)。當泄槽坡度較陡時(θ=22°),急流區(qū)消失;在水點飛濺區(qū),水面出現最小值,而且在該區(qū)水點飛濺很高,甚至超過滑行水流的邊墻高度。因此,在設計中應給予足夠的重視(圖3b)。1.2選擇適用的坡角關于滑行水流、跌落水流和過渡水流的臨界值,2001年ChansonH在進一步總結試驗資料的基礎上,所得的最新公式為:滑行水流yc/h=1.2-0.325h/l(1)跌落水流yc/h=0.89-0.4h/l(2)式中,yc為臨界水深;h為臺階高度;l為臺階長度。上述兩公式適用的坡角θ的范圍為:2.86°≤θ≤59.5°。另外,YasudaY和OhstuI對臺階式水流流況經過多組系統(tǒng)地試驗研究,給出的計算公式為:滑行水流h/yc=1.16(tanθ)0.165(3)跌落水流h/yc=1.3+0.57(tanθ)3(4)適用范圍為:5.7°≤θ≤55°,Re≥2.0×104,B/yc≥5.0。式中,θ為斜坡與水平面的夾角;Re為雷諾數;B為試驗水槽寬度。將ChansonH和YasudaY的公式分別繪于圖4中。由圖可以看出,兩者除在滑行水流的小角度和大角度時臨界值稍有差別外,其余數據都基本上是一致的。2舞臺溢流的舞臺意義2.1相對壩高和臺階高度對消能率影響的試驗研究以往的研究表明,滑行水流時,臺階式溢洪道的消能率隨斜坡角度θ的增大而逐漸減小,阻力最大的斜坡為θ=19°。作為探討性研究,筆者對斜坡角度θ=19°,臺階高h=0.05～0.2m,壩高Hdam=0.8～2.4m的臺階式溢洪道在寬度B=0.4m的試驗水槽內進行了試驗研究。以圖5所示的符號定義為準,對試驗資料進行了整理,得到滑行水流時的消能率ΔH1/Hmax與相對壩高及相對臺階高度的關系,如圖6、7所示。圖6是θ=19°時滑行水流的消能率ΔH1/Hmax與壩高及臺階高度變化的關系。由圖可以看出,其消能率隨相對壩高Hdam/yc的增加而增大;并隨臺階高度的增大,消能率增加。由圖6還可以看出,當h/yc≥0.4～0.5時(即yc/h≤2～2.5),對不同的相對壩高Hdam/yc,其消能率變化很小,并逐漸趨近于一常數。如果重新整理其消能率與相對壩高Hdam/yc的關系,當yc/h≤2～2.5時,其變化如圖7所示。這時消能率ΔH1/Hmax只是相對壩高Hdam/yc的函數,而與yc/h無關,其消能率ΔH1/Hmax隨相對壩高Hdam/yc的增加而增大。2.2渡水流消能率圖8是傾斜角度θ=19°時臺階式溢洪道中跌落水流和過渡水流的消能率。在跌落水流和過渡水流中,由于臺階上相對水深較小,而且水深變化不大,對一定的斜坡,其過流的形狀基本保持不變,在給定Hdam/yc時,消能率相差很小。2.3造成了更大的沖擊臺階和平臺上一種小流道將θ=19°時,各流況的消能率繪于圖9。由圖可以看出,對于一定的相對壩高Hdam/yc,各流況的消能率相差很小。這是因為在流量相對較小的跌落水流和過渡水流中,即便是流量發(fā)生變化,但主流沖擊臺階的位置變化不大,因此在臺階上所形成的三角形區(qū)域和形狀亦變化不大,對水流的形狀阻力影響較小。另外,在滑行水流情況時,當yc/h≤2～2.5時,形狀阻力的影響雖然較跌落水流和過渡水流為小,但由于實際流過臺階表面的水深仍然較小,水流摻氣非常充分,在臺階隅角形成穩(wěn)定的,且很強的旋渦,并在臺階外邊緣附近形成隨機性的空氣層流況。雖然,各流況時臺階斷面單位比能H1中其靜水頭和動水頭的比例有所不同,但臺階的斷面單位比能H1基本不變,這就使得各流況的消能率幾乎一樣。3下游消力池的流體特征與光滑溢洪道相比,臺階式溢洪道水流由于摻入大量空氣,增加了下泄水流的沿程阻力和能量耗散,在下游消力池中,流速很快衰減,使消力池的長度大大縮短。與光滑溢洪道一樣,下游的水流銜接,亦可分為遠離水躍、臨界水躍與淹沒水躍三種。從實用角度出發(fā),本文只研究了下游發(fā)生臨界水躍與淹沒水躍的情況。3.1臨界水躍躍試驗筆者在日本大學曾對臺階式溢洪道滑行水流非均勻流與均勻流情況下的下游躍后水深y2進行了多次試驗研究。其試驗條件為5.7°≤θ≤55°。試驗結果表明,當在臺階式溢洪道下游坡角處產生臨界水躍時(見圖10),若壩高相對較低,摻氣水流未形成均勻流,對給定的流量和臺階高所產生的臨界水躍躍后水深y2隨壩高增加而增大;但當壩高相對較高,在下游臺階處水流已形成均勻摻氣水流時,臨界水躍躍后水深y2便不再隨壩高的增加而變化。3.2不穩(wěn)定區(qū)域內的水躍行為臺階式溢洪道的下游流況,與其流量、斜坡角度、臺階高度以及下游水深有著密切的關系。在模型試驗中發(fā)現,較緩的泄槽與較陡的泄槽水流流況有著很大的區(qū)別。根據YasudaY的試驗結果:當θ<19°時,在滑行水流條件下,通過臺階表面的水流因受到臺階幾何形狀的影響,水流從急流向緩流過渡時,在靠近臺階的地方,隨下游水位的變化,水流表面將形成一個淹沒水躍或不穩(wěn)定的波狀水躍;而當θ≥19°時,在下游水位和臺階交界附近總是產生一個穩(wěn)定的淹沒水躍(見圖11)。在臺階式泄槽中,當θ<19°時,滑行水流相對水躍長度基本為一常數,水躍一般都在一個水平臺階面內形成,與光滑面泄槽相比,相對水躍長度縮短70%左右。當19°≤θ≤55°時,滑行水流相對水躍長度的變化受相對下游水深及相對壩高的影響,當相對下游水深增加時,水躍長度逐漸增加;當相對壩高增大時,與低壩相比,相對水躍長度減小。在試驗范圍內,當相對落差和下游水深較大時,與光滑泄槽相比,相對水躍長度可減少50%左右。另外,與光滑泄槽相比,臺階式溢洪道滑行水流淹沒水躍時的流速衰減很快。4溢洪道消能率計算為了進一步研究和比較臺階式溢洪道在各流況下包括水躍在內的總消能率,試驗中使其下游形成臨界水躍,然后用測針反復量測躍后水深的平均值,并根據能量方程求其消能率ΔH2/Hmax。H2為躍后斷面的單位比能。將試驗資料整理繪于