台阶式溢洪道滑掠水流水面线计算公式初探

将台阶看作渠道壁面粗糙,根据蔡克士大等的明槽试验研究结果,推导了台阶坝面滑掠水流水深计算公式。在给定台阶高度和单宽流量的情况下,根据该公式,可以得出台阶式溢洪道的沿程水深。     

台阶式溢洪道滑行水流时均压强特性研究

通过模型试验，对台阶式溢洪道滑行水流的时均压强特性进行了研究，探讨了台阶上时均压强的产生和变化规律。同时探讨了来流量、台阶尺寸等因素对台阶上压强变化的影响。对于工程的设计，施工都具有很好的参考价值。     

阶梯式溢洪道水平面上时均压强试验研究

通过模型试验研究了阶梯式溢洪道水平面的时均压强,结果表明:阶梯式溢洪道水平面上可能产生负压,负压主要位于水平面上距离阶梯凹角0.2～0.5倍水平阶梯长度处;整个阶梯式溢洪道水平面上最大负压位于2#或者3#阶梯上,掺气均匀段阶梯水平面上基本没有负压产生;阶梯水平面上的压强具有间隔相似性;单宽流量越大,水平面阶梯上压强最大值越大、最小值越小.     

台阶式溢流坝水力特性初探

本文结合嘉陵江东西关水电站枢纽右岸台阶式溢流坝坝型，对四种不同台阶型式坝面的流态、消能效果及台阶上时均压力分布进行了实验研究。其结果表明，台阶式溢流坝在一定的下泄流量范围内，由于台阶间形成强烈的横向漩滚．水流掺气．显著提高了坝面的消能效果，台阶上的时均负压值一般不大，但在较大的单宽流量下，由于坝回流速较大，仍易发生主化现象，故台阶式溢流坝适宜在单宽流量不大的情况下采用。     

台阶式溢洪道体型设计及掺气减蚀优化试验研究

根据三塘沟水库基本情况,建立水工模型试验得出原设计方案无法满足下泄流量要求,通过水工模型试验对其进口体型进行调整后可安全下泄设计流量,台阶起始端两侧通气孔掺气效果明显,第4级台阶开始掺气充分,原设计掺气位置设计合理,所有运行工况下,水流空化数最小值为0.29,故该工程不会发生空化空蚀破坏。体型修改方案和空化数的计算可为类型工程提供参考。     

台阶式溢洪道滑行水流消能特性研究

台阶式溢洪道消能率无法详细反映其消能特性,为了突出反映台阶消能作用,从总消能水头中扣除光滑溢洪道原有消能水头得到纯台阶消能部分,计算了单位高度纯台阶消能率,以及台阶消能所占总消能的比重。结果表明:滑行水流的单位高度纯台阶消能率约为0.80%/m~0.83%/m,与单宽流量和台阶数目均无关,随台阶高度增大增幅为4.5%;纯台阶消能所占总消能比重随单宽流量增大而增加,随台阶数目增多而减小;此外,还对单宽流量增加时消能率下降的原因进行了探讨。结果分析表明:大单宽流量消能率下降是由于光滑溢洪道能作用降低而纯台阶消能不变导致的。     

台阶式溢洪道非掺气水流水面线的计算

台阶式溢洪道水面线是确定边墙高度的重要参数,目前尚无系统的研究成果.根据明渠非均匀渐变流理论,分析了台阶段水面线的计算方法;模型试验表明,用非均匀渐变流理论计算台阶式溢洪道非掺气水流水面线时,必须考虑局部水头损失的影响.经对比分析,台阶上的局部阻力系数ζ=0.5时计算水深和实测水深吻合良好.溢流反弧段水面线可以用动量方程给出的公式计算.同时,对于坡度为30°,51.3°和60°的WES曲线段,也通过模型试验给出了水面线的计算式.对比分析认为,本文给出的台阶式溢洪道非掺气水流全程水面线的计算方法简单,精度高.     

台阶式溢洪道摩阻流速沿程变化研究

为了研究台阶式溢洪道摩阻流速沿程变化规律,将其与相对应的光滑溢洪道进行对比,引入相对摩阻流速的概念。通过对台阶高度为0.5～2.0 m、坡角为26.6°～48.0°、单宽流量为35.7～62.2 m~2/s的台阶式溢洪道模型进行试验,分析了各个模型条件下摩阻流速和相对摩阻流速与流程长度之间的关系。分析发现:台阶式溢洪道摩阻流速沿程变化情况复杂,而台阶式溢洪道相对摩阻流速与流程长度之间具有良好的线性关系,规律显著,便于分析应用,以此论证了引入台阶式溢洪道相对摩阻流速的必要性。适当提高台阶高度对消能有利,在小单宽流量和坡度较陡时,台阶式溢洪道消能效果更佳。     

台阶式溢洪道掺气消能效果试验研究

通过模型试验分析了台阶式溢洪道掺气对消能效果的影响。对比分析了无掺气坎、掺气坎高分别为20 cm和40 cm时的掺气效果和消能率。当掺气坎高时,水体掺气充分,水流涡旋剧烈,形成水汽两相流,水流下泄旋滚过程中势能转化成动能,在泄槽段可耗散较多能量。因此,设置掺气设施比不设置掺气设施消能效率大、消能效果好,有效地防止了空化空蚀现场的发生。     

与宽尾墩联合使用的台阶面破坏问题研究

宽尾墩+台阶式溢洪道的消能形式已被许多工程所应用,但从近年工程运行情况看,个别工程出现台阶面破坏现象。根据工程模型试验资料,结合同类工程原型观测资料,对有可能在宽尾墩水舌作用下,影响台阶面出现破坏的时均压强、近底流速、掺气浓度等水力学参数分别进行了测试分析;同时,依据台阶面脉动压强和时均压强试验测试数据,采用材料力学方法,对台阶面混凝土分层后的受力情况也进行了分析。结果表明若台阶面碾压混凝土出现分层与表面止水破坏,则脉动压强就会通过表面缝隙与层面间隙作用于混凝土,混凝土也可能因此出现最大正应力,而当最大正应力超过混凝土的抗拉强度,台阶面混凝土就可能出现破坏。     

台阶式溢洪道相对流速和相对消能水头的关系

流速和消能水头是重要的水力参数,但在台阶式溢洪道中尚无系统研究成果。将台阶式溢洪道流速、消能水头与对应光滑溢洪道流速、消能水头对比,引入相对流速、相对消能水头的概念。通过对0.5,1.0,2.0 m 3种不同台阶高度,38.66°坡度的台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了流速、消能水头,相对流速、相对消能水头之间的关系。结果表明:非均匀流流态下流速、消能水头呈曲线关系,不便分析应用;相对流速和相对消能水头表现出良好线性关系,相关系数0.973 7~0.995 9,证实了引入相对流速、相对消能水头的必要性。     

与宽尾墩联合使用的台阶面水流压强特性研究

 随着RCC筑坝技术的发展,宽尾墩与台阶面联合消能技术已先后在许多工程中得到应用。通过工程原型与模型试验资料的综合分析,对不同体型及使用条件下,与宽尾墩联合使用的台阶内部压强与总体压强分布规律进行了研究。研究结果表明：台阶内部压强分布规律及台阶总体压强分布规律主要与堰面使用的宽尾墩形式有关,台阶坡比对台阶面总体压强影响幅度较小,台阶高度几乎不产生任何影响。     

大朝山水电站RCC溢流坝宽尾墩、台阶式坝面联合消能工的研究及应用

宽尾墩，台阶式坝面消能工，是通过宽尾墩后水流的突矿和台阶坝面的连续跌坎，为掠过台阶坝面的水舌下缘提供侧部（坝面无水区）通气条件。原型观测证明沿台阶处形成高掺气浓度的水气混合流。加之台阶对水流流速的消减作用，使台阶免遭空蚀破坏。本研究结合大朝山水电站的建设，从设计优化构想，开展了系统的试验研究，并把设计研究成果应用于大坝的设计和施工，取得了原型观测成果，提供了百米级以上高坝，大单宽流量RCC坝的新的成功实例。     

前置掺气坎坡度对阶梯溢洪道掺气水流影响的数值模拟

为研究复杂边界条件下气液两相界面的流动及混掺现象对工程建设的影响,结合某大型水电站的溢洪道,利用RNG k-ε模型对其进行三维流场模拟,采用有限体积法离散控制方程,并用GMRES算法进行压力求解,对前置掺气坎式阶梯溢洪道和传统阶梯溢洪道泄流壁面上的高速掺气水流进行数值模拟。结果表明:随着掺气坎坡度的增加,其掺气空腔及掺气浓度均有所增大,随着水流下泄掺气浓度沿程降低,达到一定距离后趋于稳定,掺气浓度值达到了减免空蚀破坏的要求;与传统阶梯溢洪道的模拟结果进行对比可知,增设前置掺气坎后,既可以增加前几级阶梯的掺气浓度使水流提前达到水气平衡,也没有降低阶梯式溢洪道的消能率,为解决传统阶梯溢洪道中出现的工程难题提供了一种新思路。     

Inception point of air entrainment over stepped spillways

The location of the inception point of the air entrainment directly affects the energy dissipation ratio, the cavitation damage control, and the training wall height designs for a stepped spillway and a stilling basin. In this paper, the boundary layer theory of plates is used to predict the location of the inception point of the air entrainment over the stepped spillways by assuming the steps on the spillways as a kind of roughness. An empirical formula is presented based on the physical model experiments, with the maximum error less than 1% except at one point where the error is 1.6%, as compared to the experimental data. Meanwhile, it is shown that the location of the inception point of the air entrainment for the stepped spillway is much nearer to the top of the spillway than that for a smooth spillways, which explains why the high ratio of the energy dissipation is provided for the stepped spillway.     

有压接无压泄洪洞设计初探

随着大量直河段水利水电枢纽的修建,有压接无压泄洪洞的应用日益广泛,而目前国内外并无有压接无压泄洪洞设计的系统介绍。本文总结了多年有压接无压泄洪洞设计的工作经验,并收集整理国内已建、在建工程有压接无压泄洪洞特征参数,提出了有压接无压泄洪洞设计的系统思路和设计方法。     

跌坎型底流消能工冲击区时均动水压强计算与试验研究

应用平面紊动射流理论,对跌坎型底流消能工消力池内水流流态进行分区,并分析了冲击区水流结构。同时根据动能势能转化原理,采用坐标转换的数学方法,推导出跌坎型底流消能工冲击区时均压强的经验公式。最后,利用水力学模型试验,验证了该公式的合理性,并通过改变入池能量、入射角度、跌砍深度等条件,分析了跌坎型底流消能工冲击区时均压强的变化规律。     

深孔泄洪洞工作（闸）弧门下游水流空化特性分析

深孔泄洪洞工作弧门下游体型及弧门开启方式决定着水流流态的变化,选择不合理有可能引起底板的空蚀破坏。为了明确与此相关的空蚀发生机理及条件,通过水力学模型试验,并结合简单数值模拟计算,对不同体型、不同水头、不同开度条件下的水流空化与空蚀特性进行研究。研究结果表明:受弧门出口射流流场分布影响,弧门下游抛物线及下游陡坡初始段底板压强随着底板以上总水头的增加及弧门开度的减小会快速下降,最大负压接近或超过-14 k Pa,连接闸室与抛物线之间的水平段长度增加5 m,虽然可以使底板压强有一定幅度增加,但高水头、小开度工况下的水流最小空化数仍然比较小,最小值不足0.2;如果以0.2作为抛物线及其上下游段水流初生空化数,同时底板的施工不平整度有所控制,则总水头40 m时弧门最小开度可以达到1/4,若总水头增加至65 m时,弧门只能全开或3/4开度运行,低海拔地区或水平段加长5 m后最小开度可到1/2~3/4。     

高海拔地区气压环境对高速水流空化特性的影响

为定量评价高海拔地区的低气压环境对水流空化特性的影响程度,通过理论计算单气核临界压强在不同气压条件下的变化,分析单气核临界压强变化对初生空化数的影响程度,并进行不同海拔高程下水流空化数的敏感性分析。研究成果表明:低气压环境下,气核初生空化数和水流空化数均减小,但水流空化数减小的程度远远大于初生空化数减小的程度,其他条件相同的前提下,高海拔地区的高速水流空化空蚀风险增大。研究结论可为高海拔地区高速水流的空化空蚀设计和评价提供参考。