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1、排水灌溉试验排水灌溉试验结课论文结课论文题目：题目：Y Y 型宽尾墩阶梯消能与空化模拟综述型宽尾墩阶梯消能与空化模拟综述现代农业工程学院现代农业工程学院农业水土工程农业水土工程后小霞后小霞20122140232012214023摘要摘要Y 型宽尾墩与阶梯溢流坝联合使用的坝面泄流形式是我国科技工作者提出 的新型水工设施，回顾对阶梯溢流坝的研究成果，提出目前研究尚未解决的一 些问题，如提高大单宽流量时的消能率问题，与有效避免水流空化等，指出改 变宽尾墩尺寸和阶梯尺寸，和上游水位对阶梯掺气和空化的影响的数值模拟，是今后的一个研究方向，对研究阶梯空蚀破坏有一定意义。关键词关键词：Y 型宽尾墩；阶梯溢流
2、坝；消能率；水流空化；数值模拟随着水利水电工程建设的迅速发展，高坝泄洪建筑物由于高水头和大单宽 流量等引起的高速水流问题日益突出。掺气问题和空化空蚀问题一直是高速水 流研究的重点，在泄洪建筑上设置掺气减蚀设施，使高速水流掺气，是减轻和 避免发生空蚀破坏的一种有效措施。因此，研究掺气坎的水力特性，尤其是掺 气水流特性对泄洪建筑物的安全稳定问题具有非常重要的工程实际意义。由于 泄洪流量大，流速大，过流建筑物常发生空蚀破坏现象，尤其是反弧段及下游 底板和侧墙例子较多，如国内已建的刘家峡右岸泄洪洞破坏长度达211m，二滩 1号泄洪洞反弧段下游侧墙空蚀破坏、盐锅峡泄水孔的隔墩被空蚀打穿（约 280m3）
3、等；国外已建的美国波尔德坝（Boulder Dam）东岸泄洪洞反弧段末端 出现了一个空蚀深坑（最长35m,最宽9.2m，最深13.7m，破坏总体积达1120m3） 、 美国德沃歇克坝三个泄水孔均发生不同程度的空蚀破坏、法国的Serre Poncon泄 水底孔出现冲坑体积达360m3等。因此泄洪建筑物的防空蚀空化问题显得尤其 重要，这类问题在水利工程设计中需要高度重视并采取相应的、有效的工程保护措施。 宽尾墩消能工是我国学者林炳南院士等在20世纪70年代首创的一种收缩式 的消能工，已成功地应用于安康、五强溪、岩滩、隔河岩等许多大型水利水电 工程中，取得了显著的技术效果和经济效益1。宽尾墩常与阶梯
4、溢流坝或挑流 坎等结合形成新型消能工，其原理主要使原来平顺的水流在纵向上拉开，增加 水流与空气的接触面，从而达到消能目的2。这种新型的水工设施可以有效提 高最大过流能力的同时,避免空化空蚀破坏,更加充分有效地利用山区水资源,因 此它必将得到广泛应用3。所谓宽尾墩就是在平尾墩的基础上将闸墩的尾部加 宽，使其闸室出口缩小变窄，从而使得过坝面水流横向收缩，在消力池中形成 剧烈掺气的的三元水跃，大大地提高了消能率，同时减少了消力池的长度，大 大的节约了工程量。 阶梯式溢流坝就是在溢流坝面上从胸墙附近一直到坝趾处设置一系列阶梯， 它是利用坝面阶梯上水流所形成的横向旋滚以及与主流之间的相互剪切和动量 交换
5、从而达到消能的目的。同时坝面上的水流掺气，也增强了消能的效果。由于模型试验与原型相比，有一定的比尺效应，不一定在各方面都能很好地反映原型的特性，所以有必要进行更多的原型观测工作。目前，数值模拟和计算技术迅 速发展，模型试验相对于数值模拟来说又颇显昂贵，数值模拟技术具有操作简 便，容易改变各种参数和成本低等优点，在水工建筑物体型优化研究中应用日 益增多，所以数值模拟研究越来越受到人们的青睐。但是，对于阶梯式溢流坝 来说，存在几个较难解决的问题4：存在不规则的曲线自由水面；边界条 件由于有阶梯的存在，下游可能还会有反弧段而变得较复杂；由于水流掺气， 溢流面的水流是具有一定掺气浓度的两相流，而水气两
6、相流的机理及其动力方 程的研究都还不十分成熟。由于上述困难的存在，这方面的数值模拟研究很少， 但它将是一个发展趋势。1 1 研究现状研究现状1.11.1 掺气减蚀研究掺气减蚀研究目前国内外都已非常重视防空蚀问题的研究，常用的防空蚀空化措施主要 有以下几种5： (1)对过流建筑物防蚀体型选择最优方案。如泄洪洞进口曲线体型设计，闸 门槽体型设计和溢流坝渥奇面曲线设计等； (2)采用抗空蚀性能较好的材料，如局部钢板衬砌、钢纤维混凝土、环氧砂 浆饰面等； (3)严格控制过流建筑物施工表面及不平整度，如控制局部突体（钢筋头） 和控制施工放线误差等； (4)采用掺气减蚀技术，如在过流表面上设置掺气坎或槽，
7、在底部或侧墙人 工强迫掺气等。其中，掺气减蚀技术是目前防蚀效果较好且经济成本较低的一项新技术， 现在已被广泛利用于实际工程中。国外应用比较早，在泄洪建筑物上最早应用 掺气减蚀技术的实例是美国于 1960 年在泄洪孔锥形管出口下游设置了掺气槽。 国外采用该项技术的典型实例有美国饿马坝马蹄形洞、美国佛来明峡圆形洞、 西班牙阿尔特阿达维拉圆形洞、前苏联努列克城门洞隧洞等。国内首次应用此 项技术是在 20 世纪 70 年代的冯家峡工程溢洪洞，国内典型实例有小浪底水电 站底孔板洞、紫坪铺工程泄洪排沙隧洞、漫湾水电站泄洪洞和三峡水电站泄洪 深孔等。掺气减蚀技术应用于国内外典型实际工程表明：此项技术有效地预
8、防 泄洪建筑物的空蚀空化问题，减轻了施工难度和降低了经济成本，是水利水电 工程设计技术上的一项重大突破。 然而掺气减蚀技术面临的首要问题是掺气减蚀设施的体型，参数及尺寸的 设计，这也是掺气减蚀技术最核心的问题。目前，该项技术体型方案的确定主 要是通过水工模型试验，模型按重力相似原则和水流连续相似原则设计，虽然 在某些水力特性参数上（水面线、时均压力沿程分布、空腔形态）与原型具有相似性，但是由于模型水流的紊动强度一般小于原型，模型与原型的缩尺效应 问题依然存在。因此，当用模型试验数据折算到原型上时，必须考虑缩尺效应 问题。 已有研究资料表明, 阶梯溢流面过流单宽流量不超过 40m3 ( s/m)
9、 时, 水流大 量掺气的同时, 消能率得以提高, 下游泄洪消能建筑物的工程量也可减小; 而当单 宽流量继续增加时, 消能率下降, 水流掺气量也随之大幅度减小。湖北省丹江口 水电站施工期, 大坝阶梯溢流面过流单宽流量接近或超过 100 m3 ( s/m)时, 由于 掺气不足而产生了严重的空蚀破坏现象。而以水东、大朝山工程为代表的宽尾 墩+ 阶梯溢流面+ 消力池联合消能技术, 在融合了宽尾墩大单宽泄洪消能技术的 基础之上, 基本解决了阶梯溢流面大单宽过流问题, 阶梯溢流面过流量从传统的 40 m3 ( s/m)提高到 200 m3 ( s/m) 以上。随后出现的索风营、思林等工程, 在对传 统宽尾
10、墩消能技术研究总结的同时, 借鉴水东、大朝山工程经验, 又提出了 X 型宽尾墩+ 阶梯溢流面+ 消力池联合消能技术, 该技术在保持传 统宽尾墩消能技术大单宽过流高消能率优势的同时, 又充分发挥了阶梯溢流面中 小单宽过流高消能率的优势, 使阶梯溢流面大、中、小不同单宽条件下的过流技 术问题得以彻底解决。研究表明, 单宽流量的增加, 阶梯溢流面水流先后会出现 跌流、滑行流等不同形态, 如果将跌流看作是多级跌水的一个整体组合流态, 则 滑行流实际就是传统光滑过流面的群体加糙。对于群体加糙的高速水流边界而 言, 必然面临一个水流空化的问题, 而许多资料及工程运行结果已经证明, 掺气是 减小水流因空化而
11、诱发建筑物表面破坏的有效措施之一, 宽尾墩与阶梯溢流面的 联合应用, 恰好为解决阶梯溢流面大单宽过流掺气创造了有利条件。因此很有必 要对宽尾墩与阶梯溢流面联合应用的阶梯溢流面水流掺气问题进行研究。1.21.2 阶梯溢流坝消能率阶梯溢流坝消能率对阶梯式溢流坝的研究,最主要的就是利用它的消能功能,故前人在阶梯溢流坝 面的消能率方面做了大量的研究工作。这方面的文献是比较丰富的。在阶梯溢 流坝的消能率计算公式中最简单直观的就是根据坝体上下游能量守恒原理,用水 流流经阶梯坝面能量的减小与上游总能量之比作为能量损失率,即:式中;E:、EZ 分别为以水头表示的上、下游总能量。 Rice 就是利用此公式计算出
12、光滑溢洪道和阶梯溢洪道各自的消能率并进行对 比分析,得出阶梯溢洪道比光滑溢洪道的消能率大 2 一 3 倍的结论。国内蒋晓光 周辉等也用这种方法计算了阶梯溢流坝的消能率。另一种较通用的方法是利用相对消能的概念,计算阶梯溢流坝相对于光滑坝 面的消能率。一般是用两者坝趾的动能差与光滑溢流坝下游的动能相比较,即; 式中,Vs、V:分别为光滑和阶梯溢流坝趾的流速。 Pegram 以上式的定义为基础提出了相对能量损失率(EDR)的概念。 Houston281 和才君眉 1291 等人都采用此公式来计算阶梯溢流坝的相对能量损 失。一些研究者还推导出各种计算消能率的公式。Rajaratnam 着重研究了滑移
13、流的剪应力和摩阻能量损失,把阶梯坝面视为均匀加糙的明渠,根据力平衡 条件推导出的计算阶梯相对能量损失的半经验公式为: D.Stephenson 认为,能量损失随坝高与临界水深之比的增加而增大。事实上,在一 定坝高以上,坝高的增加与能量损失的增加相等,因为沿溢洪道表面能够达到均匀 流,阶梯得消耗的能量与重力所做的功相等。同时,能量损失一直增加到水深接近 临界水深的 1/3,超过该水深,再增加能量损失便有困难。Christodolou(1993)在具 有中等高度的阶梯式溢洪道模型试验中发现,能量损失与比值 dc/h 有关,同时受阶 梯个数的影响。当 dc/h 接近于 1 时,阶梯表面的消能很有效;
14、随着 dc/h 值的增大, 阶梯数 N 的影响趋于明显。在某一定值 dc/h,消能率随 N 的增多而增大。汝树勋 等人(1994)指出:阶梯高度一定时,消能率随单宽流量的增大而减小;单宽流量一定 时,消能率随阶梯高度的增大而增大。而 D.耶尔德兹和 L 科斯(1998)试验发现:阶梯尺寸增加时,消能量会增大至某一极限值,超过该值,再增大阶梯尺寸,消能率的 增加便微乎其微。然而 GS.Pegram 等人(1999)认为,阶梯式溢洪道上的滑行水流 一旦完全掺气,残余比能便与阶梯尺寸无关。可见,就阶梯尺寸对消能效果的影响,尚 待进一步研究。1.31.3 国内研究现状国内研究现状随着百米级以上的高坝逐
15、渐增多，通过坝面泄流的单宽流量越来越大,其消 能方法也逐步引起了专家学者们的关注。宽尾墩和台阶坝面联合消能是一种以 多种消能形式进行综合消能的体系。阶梯式溢流坝早在 20 世纪初就有应用，但 直到上世纪七十年代人们才开始进行研究，由于它充分利用阶梯旋滚消能可以 显著减小下游消能工的工程量而获得巨大的经济效益。把宽尾墩的技术应用于 阶梯溢流坝，可使之形成宽尾墩、阶梯式溢流坝面和消力池相结合的一体化水 工设施，它兼有宽尾墩和阶梯溢流坝面的优点，可使消能效果有明显的提高， 许多专家学者已对此进行了研究。在数值模拟方面，陈群等7和胡晓清等8分别采用不同的紊流模型对阶梯溢流坝坝面的水流流场进行了模拟并与
16、实验结果进 行了比对，两者的吻合度均较好。陈群等9及陈永明等10对阶梯溢流坝的消能 方面作了研究，分析了单宽流量、坝坡和阶梯高度等因素对消能率的影响。在 阶梯溢流坝与宽尾墩联合消能工的研究方面，张挺等11和徐玲君等12进行了数 值模拟研究，并都和实验结果进行了比较，结果令人满意。在阶梯坝面上常有 空腔存在，程香菊等13和胡耀华等14等对此进行了研究。溢流坝面与消力池间 常用反弧段进行连接，周同明等15和吴文平等16对反弧段紊流边界层空间特性 进行了试验和计算研究，得到了反弧段紊流边界的力学特性分布规律。梁宗祥 等17对宽尾墩与阶梯溢流坝联合使用的水流掺气问题进行了研究，得到了溢流 面水流满足掺气减蚀的要求和条件。2 2 主要研究方向主要研究方向虽然国内外己对阶梯溢流坝的水力特性进行过一些试验研究,并得出了一 些有益的成果,但系统深入的研究成果较少,以下几个方面有待于进一步探索 研究: (1)在消能方面的研究中还有一个目前尚未解决的问题，就是有很多研究都 表明，在大单宽流量时阶梯的消能效果将大大降低!
