不同大小台阶组合的过渡阶梯对阶梯溢流坝面压强特性的影响

王 强，杨具瑞，龙远莎，蒋 瑜，卜 宁，万云娇

(1.铜仁学院农林工程与规划学院，贵州铜仁554300； 2.昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明650500)

0 引 言

“宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池”是把泄流和消能有机结合的一体化消能工，在国内已取得了广泛应用，如索风营水电站、阿海水电站、水东水电站、大朝山水电站[1- 4]等。这种消能方式兼有宽尾墩消能和阶梯溢流坝消能的优点，既利用阶梯溢流坝面进一步增进了宽尾墩的消能率，同时通过宽尾墩后水舌底部的无水区向阶梯坝面通气来避免空蚀空化破坏，从而使阶梯溢流坝向高水头大单宽流量方向发展[5]。

但是，随着坝高及单宽流量的增大，坝面掺气浓度降低，阶梯壁面负压增大，较低的掺气浓度不能有效保护阶梯壁面，容易阶梯壁面产生空蚀破坏，针对阶梯式溢流坝这一局限，彭勇[6]、尹进步[7]提出在阶梯溢流坝前端的适当位置增设掺气坎，通过水舌底部强迫掺气，从而增强阶梯坝面的掺气保护作用。张挺[5]在对索风营水电站X形宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工的流场进行三维数值模拟时发现，在第1级台阶竖直壁面与溢流坝面交接处存在负压，这是过去试验中未测到的，根据数值模拟提供的负压位置，在模型中重新布置测点，验证了负压的存在。后小霞[8]对阿海水电站Y形宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池溢流表孔进行数值模拟发现，当单宽流量达160 m2/s时，阶梯溢流面负压为-5.55～-9.48 kPa，最大负压出现在阶梯溢流坝与WES曲面连接处。陈群[9]对带有曲线自由水面的阶梯溢流坝面流场进行数值模拟，计算得到阶梯面上可能出现负压的位置在阶梯立面的上半部分，阶梯水平面上的压强都为正，压强最大值出现在下泄水流冲击的位置。从已建工程来看，水东水电站尽管采用宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能设施，在通过较大单宽流量时，阶梯溢流坝面同样遭到了轻微的空蚀破坏[10]。丹江口水电站在单宽流量为120 m2/s时，阶梯溢流坝面也发生了严重的空蚀破坏。阿海水电站在运行不到半年，台阶沿程就发生了空蚀破坏[11]。为了减小或消除阶梯壁面负压，需要为水舌底部创造掺气条件，从而降低空化空蚀的力度[12]。为此，工程实践中已认识到WES曲面与阶梯溢流坝的连接形式对坝面压强分布的重要性，已开始这方面的研究，提出在阶梯溢流坝顶端的适当位置设置掺气坎，从而改善坝面的水力特性。然而，对WES曲面与阶梯溢流坝过渡连接段的过渡阶梯连接方式仅仅是依靠工程设计经验选定。笔者采用三维数值模拟方法，分析WES曲面与阶梯溢流坝的过渡阶梯连接形式，采用不同大小台阶组合的过渡阶梯，分析该连接形式对“宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池”一体化消能工坝面压强特性分布规律的影响，从而改进WES曲面与阶梯溢流坝连接形式，对水利水电工程向高水头大单宽流量发展具有一定的实践意义。

1 物理模型与模拟方案

本次模拟以阿海水电站“Y形宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池”一体化消能工为对象，具体模型参见文献[13]。试验设计6种方案，如图1所示。①方案1。由12个0.5 m×0.375 m(高×宽)的台阶组成过渡阶梯。②方案2。将方案1首级阶梯设置为2 m×1.5 m(高×宽)。③方案3。将方案1首级阶梯设置为3 m×2.25 m(高×宽)。④方案4。由6个1 m×0.75 m(高×宽)台阶组成过渡阶梯。⑤方案5。将方案4首级阶梯设置为2 m×1.5 m(高×宽)⑥方案6。将方案4首级阶梯设置为3 m×2.25 m(高×宽)。对比分析不同大小台阶组合的过渡阶梯对“宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池”一体化消能工坝面压强特性分布规律的影响。

图1 过渡阶梯组合方案

2 数学模型、计算域网格划分及边界条件处理

本次模拟采用的数学模型、计算域网格划分及边界条件处理参见文献[13]。计算域以阿海水电站5个溢流表孔为对象，划分网格的质量直接影响数值模拟的准确性，为获得高质量网格，将模型转化为虚体后进行网格划分，并遵循疏密适当的原则，在WES曲面与阶梯溢流坝连接过渡段、阶梯溢流坝段及水气交界面的区域等关键部位的网格应适当加密。

3 计算结果与分析

3.1 阶梯溢流坝面负压分布规律

模拟结果发现各方案均在掺气空腔内产生局部负压，除方案1负压分布在前几级阶梯外，其他方案负压均分布在首级阶梯内，各方案负压等值线分布如图2所示。本文侧重分析各方案空腔内台阶壁面负压的大小分布规律，主要包括y=0 m剖面阶梯竖直壁面和水平壁面负压分布规律及同一方案、不同剖面阶梯竖直壁面和水平壁面负压分布规律。

图2 各方案首级台阶压强等值线

3.1.1 各方案阶梯竖直及水平壁面负压分布规律

图3为各方案前几级阶梯y=0 m剖面竖直及水平壁面压强分布。

图3 各方案竖直及水平壁面压强分布

由图3a可知，各方案竖直壁面压强有相同的分布规律，沿首级阶梯竖直壁面压强从正压迅速减小过渡到负压，最大负压基本发生在同一位置，然后压强又逐渐增大。方案1竖直壁面负压最小，为-0.6 kPa；方案4负压最大，为-4.68 kPa；过渡阶梯首级台阶尺寸相同的方案2、5的竖直壁面最大负压大小接近，分别为-0.72、-0.84 kPa；过渡阶梯首级台阶尺寸相同的方案3、6的竖直壁面最大负压大小相近，分别为-0.33、-0.36 kPa，均小于方案2、5。

由图3b可知，各方案水平壁面压强先缓慢减小然后逐渐增大。方案4负压最大，为-3.9 kPa，而其他各方案负压均比较小，且变化也比较缓慢。过渡阶梯首级台阶尺寸相同的方案2、5水平壁面最大负压均为-0.54 kPa，过渡阶梯首级台阶尺寸相同的方案3、6水平壁面最大负压大小相近，分别为-0.21、-0.24 kPa，均小于方案2、5。

综上所述，当过渡阶梯由小台阶组合或者首级阶梯由大台阶组合时，均可减小阶梯内竖直壁面和水平壁面负压，其中过渡阶梯首级台阶对坝面负压影响最大，随着首级台阶尺寸的增大，坝面负压将逐渐减小。同时，较小的负压还有助于阶梯坝面的掺气，有效避免坝面发生空蚀破坏。

3.1.2同一方案不同剖面阶梯竖直及水平壁面负压分布规律

为探讨掺气空腔内整个阶梯坝面的负压分布规律，本文对同一方案、不同剖面的压强分布规律进行对比分析，图4为方案4的不同剖面台阶竖直壁面和水平壁面压强分布。

图4 方案4的不同坝面压强分布规律

由图4可知，y=4.5 m剖面竖直壁面最大负压为-0.56 kPa，水平壁面最大负压为-0.34 kPa，较其他剖面竖直和水平壁面最大负压均为小，变化也相对平缓。由于y=4.5 m剖面在出墩水流的外边缘，与空气大面积接触，掺气充分，因而负压较小。而其他剖面竖直壁面和水平壁面压强有相同的分布规律。在竖直方向，压强沿首级台阶从正压迅速减小过渡到负压，达到负压最大值，随后负压缓慢减小，在首级台阶过渡到第2级台阶时，压强从负压跃升至正压。在水平方向，负压沿首级台阶壁面缓慢增大，在首级阶梯与第2级阶梯交界处负压跃升为正压。其中，y=3 m剖面竖直和水平壁面最大负压分别为-5.4、-4.35 kPa；y=1.5 m剖面竖直和水平壁面最大负压分别为-6.06、-5.34 kPa；y=0 m 剖面竖直和水平壁面最大负压分别为-4.5、-3.9 kPa。对比分析可知，y=1.5 m剖面负压较其他剖面为大，比y=0 m剖面竖直壁面最大负压增大25.7%，水平壁面增加29.3%，比y=3 m剖面竖直壁面最大负压增大10.9%，水平壁面增加21.2%，说明坝面最大负压并不在水舌底部的中心剖面处，而是偏离一段距离，即阶梯壁面负压沿水舌两边缘向中心剖面先迅速增大，然后略有减小。其他方案也有相同的变化规律。

3.2 阶梯溢流坝面沿程时均压强分布规律

为探讨大小台阶组合的过渡阶梯对整个阶梯溢流坝面时均压强分布规律的影响，本文选取y=0剖面进行对比分析，各方案在竖直和水平方向沿程时均压强分布如图5所示。由图5可知，压强在阶梯溢流坝面竖直和水平方向沿程时均压强有相同的分布规律，沿程略有波动，但总体呈逐渐增大趋势。在阶梯溢流坝的前端压强变化趋于平缓，略有增大，而在阶梯溢流坝的后半段，随着流速的增大，坝面水流紊乱加剧，所以压强也出现较大的波动。

图5 各方案坝面时均压强分布

3.3 消力池底板压强分布规律

泄水建筑物同时承担泄洪和消能的两大任务，要求在安全泄洪的同时严格控制下泄水流对下游基坑的冲刷，防止坝体破坏及坝基失稳。尤其对于高水头大单宽泄洪工程，护坦存在脉动压强较大，保护抗冲难度大，且所需消力池尺寸大，造价高等问题，本次研究大小台阶组合的过渡阶梯对消力池底板压强的分布及对同一方案、不同剖面的压强分布规律，如图6所示。

图6 各方案反弧段与消力池底板压强分布

由图6a可知，反弧段内压强急剧升高，在桩号145 m附近达到最大值后又迅速降低，说明此处为上游水舌的跌落点，水流冲击底板产生较高的压强，水流冲击底板后反弹，所以压强在达到最大值后迅速降低，在桩号165 m后压强趋于稳定，到消力池末端，受尾坎的作用，水深加大，压强也随之加大，而过渡阶梯的大小台阶组合方式对护坦压强影响不大。由图6b可知，同一方案的不同剖面，反弧段和消力池底板有相同的压强分布规律。

4 结 论

通过对大小台阶组合的过渡阶梯的“Y形宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池”一体化消能工进行三维数值模拟，得到结论如下：

(1)当过渡阶梯台阶尺寸较小时，负压分布在前几级阶梯，且负压较小。当过渡阶梯首级台阶尺寸较大时，负压主要分布在首级阶梯内，随着首级阶梯台阶尺寸的增大，负压将逐渐减小。阶梯壁面负压沿水舌两边缘向中心剖面先迅速增大，然后略有减小。坝面最大负压不在水舌底部的中心剖面处。

(2)过渡阶梯的不同大小台阶组合对反弧段及消力池底板压强影响较小，反弧段内压强急剧升高，在消力池前端达到最大值，随后又迅速降低，在消力池的中部压强趋于稳定，到消力池末端，受尾坎的作用，水深加大，压强也随之增大，且不同剖面压强大小分布基本一致。

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