台阶式溢洪道滑掠流时均压强影响因素分析

杨吉健，刘韩生，张为法

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.中国电建西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

台阶式溢洪道滑掠流时均压强影响因素分析

杨吉健1，刘韩生1，张为法2

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.中国电建西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

由于台阶式溢洪道结构特殊，流态复杂，对台阶式溢洪道压强并未取得一致性的研究成果。对多个台阶式溢洪道滑掠流时均压强资料进行分析，探讨来流流量、掺气、台阶尺寸、溢洪道坡度等对台阶式溢洪道时均压强的影响。分析结果表明：单宽流量大，时均压强变大；掺气可有效降低正压时均压力并增加负压值；台阶尺寸对台阶式溢洪道的影响较为复杂，台阶尺寸较小,且坡度较缓时竖直面压强呈中间小、两头大分布，坡度较大时具有2个压力极小值，位于竖直面底部和顶部，台阶尺寸较大时竖直面压强自下而上呈减小趋势；坡度增加，台阶式溢洪道压强变化幅度增大。

台阶式溢洪道；空蚀破坏；滑掠流；时均压强；单宽流量；掺气

1 研究背景

台阶式溢洪道被广泛地应用在国内外工程中。但若流速过大，压强过小，台阶坝面易发生气蚀破坏。我国丹江口水电站在1974年10月宣泄大洪水时，过坝单宽流量为120 m3/(s·m)，在台阶溢流坝段的台阶面上出现大面积空蚀坑，最深达1.2 m，水工模型试验表明此时坝面流速为21.0～24.6 m/s，负压达到5.20～9.81 kPa，相应空化数为0.18～0.87[1-2]。

台阶式溢洪道空蚀与台阶压强密切相关，在现有对台阶式溢洪道的压强特性的研究文献中，不少学者[1-11]给出了台阶式溢洪道压强分布规律，但并未得出一致的结论。本文根据文献[1-9]的试验资料，对台阶式溢洪道滑掠流状态下，影响压强特性规律的因素进行分析，研究来流流量、掺气、台阶尺寸、溢洪道坡度对台阶式溢洪道压强分布的影响。

2 试验资料

为得到真实可靠的结论，本文以文献[1-9]试验数据为依托，对滑掠流流态下，台阶式溢洪道时均压强特性进行对比分析，探讨来流流量、掺气、坡度、台阶尺寸对滑掠流流态下台阶式溢洪道时均压强的影响，不同条件模型试验基本资料见表1。

表1 台阶式溢洪道不同体型试验数据Table 1 Test data of different stepped spillways

3 影响因素分析

台阶式溢洪道压强受多种因素影响，本文对不同体型台阶式溢洪道时均压强规律进行对比研究，探讨来流流量、掺气、台阶尺寸、溢洪道坡度等对台阶式溢洪道时均压强的影响，针对已有成果不一致的观点进行讨论，浅析不同因素对台阶式溢洪道压强的影响。

3.1 来流流量的影响

来流流量直接影响溢洪道沿程水深、流速，进而引起台阶内部漩滚水流的变化。对文献[1-9]的试验结果进行分析，无论水平面还是竖直面，台阶式溢洪道在滑掠流流态下时均压强值均随流量增大而变大。以文献[2]为例，40°，50°，60°三种坡度下，台阶水平面上的时均压强为正值，台阶竖直面约1/2台阶高以下为正值，以上为负值，负压绝对值在台阶竖直面顶部最大，但流量增大负压绝对值减少，1/2台阶高以下正压变大。

进一步分析，虽然大单宽流量下，时均压强较大，但该流态却是空蚀破坏较易发生工况。原因是流速大，对应空化数小，流速增加造成的不利影响远大于水深增加对水流压强增加产生的有利影响。

注：横坐标x/l表示测点位置距起点的距离与水平号长度的比值

3.2 掺气的影响

掺气可有效预防空蚀破坏的发生，从50年代至今很多对比试验和工程实例表明，水流中掺入1%～8%的空气可减轻或防止空蚀破坏，当掺气达8%时(一般情况下)可完全防止空蚀的破坏[12]。为预防空蚀发生，许多台阶式溢洪道都进行了掺气处理，掺气对台阶式溢洪道压强会产生很大影响。

本文以文献[9]台阶高度为5 cm，溢洪道坡度30°，51.3°为例进行说明。图1给出了设计水位下设置掺气墩前后单个台阶内时均压强分布。加分流墩后总体来说台阶式溢洪道负压部分变正压，正压部分压强值减小，但在1#台阶处不符合此规律，在坡度为30°的台阶式溢洪道上，1#台阶断面压强较原无墩时正压有所增大。

3.3 台阶尺寸的影响

台阶尺寸对台阶式溢洪道单个台阶竖直面和水平面有较大的影响，竖直面是出现负压的主要部位。文献[1]未给出测压管具体分布情况不做讨论，文献[2-4]认为，单个台阶竖直面底部压强最大，顶端位置时均压强减为最小。文献[5-6]表明台阶高度为10 cm时，出现与文献[2-4]一致的结果，但在台阶高度5 cm，台阶坡度为30°，51.3°情况下，时均压强表现为另一规律：自底向上压强值先逐渐变小，约在竖直面的0.5倍步长处出现压强极小值，然后又逐渐变大，至顶端附近再次变小，出现2个压力极小值。文献[7]试验及模拟结果出现与文献[5-6]台阶高度5 cm时相同的试验结果。文献[8]研究结果不同于上述两个规律，具体为台阶竖直面上的压力底部为最大值，(0.1～0.8)y/d(y为台阶距离台阶底部距离，d为台阶高度)区间压强逐渐减小，(0.8～0.9)y/d再次增大。文献[8]试验条件不同于文献[2-7]，具体为溢洪道坡度缓、台阶高度小。图2反映不同试验条件下竖直面压强变化规律，图2不涉及具体值大小，仅反映各试验的总体规律。

注：纵坐标为测点位置离台阶底部距离与台阶高度的比值

综合文献[2-8]，台阶式溢洪道不同台阶尺寸有不同的流场形态，对竖直面压强造成不同影响，呈现出不同的分布规律：台阶尺寸较小时竖直面上会出现2个压强极小值，台阶尺寸较大时压强分布自下而上逐渐减小；当坡度平缓，台阶尺寸较小时，竖直面压强在0.5y/d处压强达到最大，顶端及底部压强值均较大。

3.4 溢洪道坡度的影响

文献[2]对台阶式溢洪道坡度40°，50°，60°台阶式溢洪道3种水流状态压强分布特性进行分析。结果表明，泄槽坡度增大，台阶顶部范围的压强波动减小，负压绝对值增加。文献[8]专门对台阶式溢洪道坡度对台阶式溢洪道的影响做了研究，得出坡度越陡，沿程台阶水平面和竖直面压力变化幅度越大的结论，和文献[2]从不同方面阐述了溢洪道坡度对压强变化的影响。

4 结 论

不同的台阶体型、单宽流量、尺寸及坡度形成不同的压强分布，掺气也影响压强分布规律。本文对大量数据进行分析得出这样的结论：

(1) 台阶式溢洪道时均压强，包括水平面和竖直面，在滑掠流流态下随流量增大而变大。该规律对预防空蚀破坏是有益的，但若流量过大，流速也随之变大，空化数减小，水深增加的有利因素避免不了流速增大产生的空化破坏，工程运行应尽量避免大单宽流量、大流速下运行。

(2) 掺气可有效预防空蚀破坏的发生，对压强的影响上表现为有效减小台阶式溢洪道正压的时均压强，增加负压的时均压强。

(3) 台阶尺寸对台阶式溢洪道压强影响很大，不同台阶尺寸竖直面时均压强体现不同分布规律。尺寸较小且坡度较缓时台阶式溢洪道顶端及底部出现较大的压强值，中部为压强极小值；台阶尺寸小，坡度较陡时竖直面底部压强较大，一般为正压，竖直面中部附近出现压强极小值，向上压强变大，在0.8y/d附近出现压力极大值，而后压强又减小；台阶尺寸较大时，台阶式溢洪道竖直面压强分布是从底部到顶端持续减小。

(4) 溢洪道坡度对台阶式溢洪道压强影响表现为坡度增大，台阶顶部范围的压强波动减小，负压绝对值增加，沿程为台阶水平面和竖直面压强变化幅度增大。

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[6] 曾东洋,张志昌,刘亚菲,等.台阶式溢洪道滑行水流时均压强特性研究[J].陕西水利发电, 2001,17(4):11-14. (ZENG Dong-yang, ZHANG Zhi-chang, LIU Ya-fei,etal. Study on the Characteristics of Time-average Pressure of Skimming Flow in Stepped Spillway[J]. Journal of Shaanxi Water Power, 2001,17(4): 11-14. (in Chinese))

[7] 杨 庆,戴光清. 阶梯溢流坝水力特性和消能机理试验研究 [D]. 成都: 四川大学, 2002. (YANG Qing, DAI Guang-qing. Mode Test and Mechanism Research of the Stepped Overflow Spillway[D]. Chengdu: Sichuan University, 2002. (in Chinese))

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[9] 郑阿漫,张志昌,李建中. 掺气分流墩台阶式溢洪道水力特性的研究[D]. 西安：西安理工大学, 2001. (ZHENG A-man, ZHANG Zhi-chang, LI Jian-zhong. Hydraulics of Stepped Spillways with Aerated Splitter[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2001.(in Chinese))

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[12]董志勇, 吕阳泉, 居文杰, 等. 高速水流空化区和空蚀区掺气特性的试验研究[J]. 水力发电学报, 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))

(编辑：刘运飞)

长江科学院河流研究所参加第36届国际水利学大会

第36届国际水利学大会(The 36th IAHR World Congress, IAHR2015)于2015年6月28日—7月3日在荷兰海牙召开。该大会是世界水利工程与学科领域最重要的水事活动之一，距今已成功举办36届。来自荷兰本土、美国、德国、法国、英国、意大利、比利时、加拿大、中国、日本和澳大利亚等数十个国家的专家代表约1 400人参加了会议。

长江科学院河流研究所朱勇辉教高应邀参加会议并在会上作了题为“2D Mathematical Modeling of Headcut Erosion during Breaching of Homogeneous Embankments”的专题报告。会议期间，朱勇辉教高还与各国专家学者就感兴趣的问题及合作进行了广泛交流。

(摘自：长江水利科技网)

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

杨吉健(1989-)，男，河南开封人，硕士研究生，主要从事泄水建筑物与高速水流方面的研究，(电话)15109276214(电子信箱)xinongyangjijian@163.com。

刘韩生(1962-)，男，陕西韩城人，教授，硕士生导师，主要从事水力学与水工建筑物方面的研究，(电话)13319231569(电子信箱)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