台阶式溢洪道滑行流相对水力特性规律研究

台阶式溢洪道消能效果显著、能大大减小下游消力池的尺寸、节省工程量和投资,但其水流规律复杂。本文对比研究了台阶式溢洪道和同体型的光滑溢洪道,并引入台阶式溢洪道相对流速、相对弗劳德数、相对消能率等3个相对水力参数。通过模型试验,分析了台阶式溢洪道流速、弗劳德数、消能率等常规水力参数及3个相对水力参数沿程变化规律、相对临界水深及溢洪道坡度对常规及相对水力参数的影响。分析结果表明:台阶式溢洪道常规水力参数沿程呈复杂的曲线变化规律,相对临界水深及坡度对常规水力参数的影响亦较为复杂,不便应用;台阶式溢洪道相对水力参数沿程表现出良好的线性相关关系,相关系数平均值为0.9887～0.9944;相对水力参数均随相对临界水深的增大而减小,随溢洪道坡度的增大而增大。通过对台阶式溢洪道相对水力参数沿程线性规律的定量分析,并结合光滑溢洪道成熟的水力计算理论,可为台阶式溢洪道复杂水力特性计算提供新方法。     

台阶溢洪道无因次消能水头规律与水面线计算

台阶式溢洪道消能水头是重要的水力参数,直接反映了台阶式溢洪道的消能情况。对台阶式溢洪道的消能水头及影响因素进行因次分析,引入相对临界水深、相对位置。通过对5组不同坡度,3个台阶高度,3个单宽流量共45个组合工况下的台阶式溢洪道进行模型试验研究,探讨无因次消能水头与相对临界水深、相对位置、坡度的关系。结果表明:无因次消能水头与相对位置呈现良好的线性关系;直线斜率与坡度呈线性递增关系,与相对临界水深无关。依据这些规律计算台阶式溢洪道沿程水面线,为台阶式溢洪道复杂水力特性计算提供了新方法。     

台阶式溢洪道相对消能率与相对佛汝德数关系研究

台阶式溢洪道是目前研究的热点,台阶消能率和佛汝德数是重要的水力参数。将台阶式溢洪道佛汝德数与对应光滑溢洪道佛汝德数对比,引入相对佛汝德数的概念,准确地反映由于台阶的存在对水流佛汝德数的改变值。通过对0.5,1.0,2.0 m 这3个不同台阶高度,坡度为38.66°的台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了相对佛汝德数和相对消能率之间的关系。结果表明非均匀流流态下相对佛汝德数和相对消能率表现出良好线性关系,相关系数为0.992 7~0.998 9。单宽流量不同,相对佛汝德数和相对消能率对应直线的斜率明显不同,其斜率随单宽流量加大而增大;而台阶高度变化对相对佛汝德数和相对消能率线性关系的直线斜率影响很小。     

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。     

台阶式溢洪道消能特性的研究

结合斯木塔斯水电站台阶式溢洪道水力学模型试验结果,引入了相对消能率和单宽消能功率,总结了台阶高度、单宽流量与消能率、相对消能率和单宽消能功率的变化规律,重点研究相对消能率的变化规律。研究表明,流量增加时台阶溢洪道的相对消能率和单宽消能功率逐渐增大,表明台阶所起到的消能功效增强了。     

不同体型台阶溢洪道水流比能特性研究

台阶式溢洪道作为一种具备消能效果的泄水建筑物被广泛应用于碾压式混凝土重力坝建设过程中,但由于其消能效果研究的复杂性和现场试验的不可操作性,针对台阶式溢洪道消能效果研究从未间断。本文利用断面比能为研究参数,对不同台阶高度、不同单宽流量台阶式溢洪道消能效果进行了系统的研究。研究得出:在台阶式溢洪道泄水过程中,总水头随着泄水流程增加呈线性降低;水流断面比能在泄水过程中呈现先增加后逐渐趋于稳定的趋势,且断面比能稳定的流程临界值为35—40m;断面比能随着单宽流量的增加而逐渐增加,二者之间呈现正相关关系;台阶式溢洪道台阶高度越高,消能效果越明显,当台阶高度由0.5m增加至2m时,台阶式溢洪道消能效果提高18.3%。     

台阶式溢洪道滑行水流消能特性研究

台阶式溢洪道的消能特性是研究的热点方向,而单纯的台阶式溢洪道消能率并不能有效反映台阶在消能方面的价值。将台阶式溢洪道和同体形光滑溢洪道的消能规律进行对比,可以准确反映出台阶结构对水流消能的贡献。通过对26.56°、38.66°、51.30°三组坡度,0.5、1.0、2.0 m三种台阶高度的台阶式溢洪道进行水工模型试验研究,探讨了不同台阶高度(d)、单宽流量(q)、坡度(θ)下相对消能率(Δη)和台阶流程长度与水深比(L/h)的关系。结果表明:台阶水流为滑行流态时,在非均匀流段上相对消能率和台阶流程长度与水深比呈线性关系,复相关系数R~2在0.984 6~0.996 2之间,直线斜率随单宽流量、台阶高度、坡度的增大而增大。试验分析证实了研究相对消能率的必要性,Δη和L/h的线性关系为进一步探究台阶的消能特性提供了依据。     

台阶式溢洪道的水力特性

台阶式溢洪道是水利工程中常见的新型泄洪消能方式之一,相比于其他消能方式有较高的消能率、能很好地降低溢洪道末端流速,工程造价低、不易发生空蚀等诸多优点。文章概述了台阶式消能工机理及其主要研究方法,归纳了学者对台阶式消能已有的研究结果,并从溢洪道表面台阶设置、水力特性参数、台阶自身形态与消能特性关系3个方面总结了消能率的影响因素,进一步讨论了"M"和"V"2种新型的台阶溢洪道消能特性,通过改变台阶形态增强了消能效果,较大程度地缩减了溢洪道的长度,降低了对下游消能设施的要求。     

台阶式溢洪道的消能及其应用价值的探讨

文中总结了溢洪道消能率的计算公式、消能率的影响因素、台阶式溢洪道的适用范围；对某水库的台阶式溢洪道和光滑面溢洪道的两个方案在效能效果、消力池长度等方面进行比较，分析了这两种方案各自的特点。结果表明，台阶式溢洪道消能主要集中在台阶段，而且相对于光滑面溢洪道，大大缩短了消力池的长度，降低了投资。     

台阶式溢洪道的消能及其应用价值的探讨

作者总结了溢洪道消能率的计算公式、消能率的影响因素、台阶式溢洪道的适用范围;对某水库的台阶式溢洪道和光滑面溢洪道的两个方案在消能效果、消力池长度等方面进行比较,分析了这两种方案各自的特点。结果表明,台阶式溢洪道消能主要集中在台阶段,而且相对于光滑面溢洪道,大大缩短了消力池的长度,降低了投资。     

台阶式溢洪道水流能量特性的研究

为了研究台阶式溢洪道上水流能量特性,对坡比1:1.25不同台阶高度的台阶溢洪道进行模型试验,试验结果表明:台阶溢洪道上总水头沿程急剧降低;水流比能表现出沿程先增大后达到稳定值的规律;水流比能的变化决定总水头的变化,比能稳定值越小说明台阶溢洪道的消能效果越好。通过无量纲分析得出稳定比能与相关影响因子的2个无因次参数,结合试验和相关文献对2个无因次参数拟合,表现出良好的幂函数规律,相关系数为0.994 9~0.997 2。同时得出计算剩余能量和台阶溢洪道总消能率的经验公式,为相关设计提供参考。     

基于SPH方法的阶梯式溢洪道消能特性研究

为了研究阶梯式溢洪道的消能特性,本文通过二维建模的方式,利用光滑质点水动力学方法(SPH)对31阶阶梯式溢洪道的水流进行数值模拟,将模拟值与试验值进行了对比,并针对2种台阶数目和4种单宽流量共计8种工况,对不同工况的阶梯式溢洪道沿程水深、水流流速以及消能率进行了分析。结果表明,31阶阶梯式溢洪道水流的水面深度、流速和压强模拟值与试验值吻合较好;36阶和60阶阶梯式溢洪道沿程水深和水流流速与单宽流量呈正相关趋势,随着单宽流量的增加而增大,且在水流稳定之后,水面深度和流速都会维持在某一个值附近;而阶梯式溢洪道消能率沿程逐渐增大并在最后一级台阶处达到最大值。同时,当溢洪道体型一定,消能率随着单宽流量的减小呈上升趋势,当单宽流量减小至0.1283m2/s,36阶和60阶阶梯式溢洪道的消能率分别达到了83.67%和82.86%。     

缓坡度陡槽溢洪道阶梯消能研究与应用

作为一种新型的辅助消能工，阶梯式消能工得到较多的研究和应用，但以往的研究与应用主要集中于坡度较陡的溢洪道。本文在总结广东省多项水利工程阶梯式溢洪道试验研究的基础上，进行了4种坡度比阶梯溢洪道的模型试验研究，对缓坡度陡槽溢洪道应用阶梯式溢洪道的水力特性进行了研究探讨。给出了阶梯跌坎高度、阶梯跌坎间距等阶梯体形参数对消能效果及流动形态的影响规律，并对缓坡度陡槽溢洪道应用阶梯式溢洪道设计方法进行了探讨，可供类似工程参考。     

溢洪道阶梯陡槽段水面掺气位置试验与计算探讨

外凸型阶梯式消能工是应用于溢洪道陡槽段上的一种新型的辅助消能工。目前溢洪道陡槽段外凸型阶梯式消能工已在水利工程中得到了应用,但对此类型阶梯式消能工水力特性的研究成果仍较少。本文在5种坡度比和不同阶梯体型(包括阶梯高度、阶梯间距等参数)的阶梯陡槽溢洪道水力模型试验研究的基础上,对溢洪道阶梯陡槽段水力特性进行研究探讨,分析了陡槽段坡度比、阶梯跌坎体型参数等对溢洪道陡槽段泄流流态的影响,并将阶梯陡槽段泄流分为光滑水流区和掺气水流区两部分,提出了外凸型阶梯陡槽段水面掺气断面位置和水深的计算公式。本文研究成果可为溢洪道阶梯陡槽段沿程水面线和消能计算提供参考。     

INFLUENCING FACTORS FOR THE ENERGY DISSIPATION RATIO OF STEPPED SPILLWAYS

In order to search for the measure to increase the energy dissipation ratio of stepped spillways, some main influencing factors for the energy dissipation ratio of stepped spillways, such as unit discharge, dam slope, height of step and so on, were studied. The results show that the energy dissipation ratio decreases with the increase in the unit discharge and increases as the slope becomes gentle. The effects of step height on the energy dissipation ratio are closely related to unit discharge. If the unit discharge is smaller, the change of energy dissipation ratio with step height becomes greater. While, if the unit discharge is greater, the influence of step height on energy dissipation ratio is very little. According to the distributions of the turbulence kinetic energy and turbulence dissipation rate obtained by numerical simulation, the basic reason of the decrease of energy dissipation ratio with the increase in the unit discharge was discussed and some specific measures to increase the energy dissipation ratio were suggested.     

NUMERICAL SIMULATION FOR THE STEPPED SPILLWAY OVERFLOW WITH TURBULENCE MODEL

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｓｔｅｐｐｅｄｓｐｉｌｌｗａｙｈａｄｂｅｅｎｕｓｅｄａｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇｏｆｔｗｅｎｔｙｃｅｎｔｕｒｙ[1 ] .Ｉｎ 1 971 ,Ｅｓｓｅｒｙｅｔａｌ.[2 ] ｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｍｏｄｅｌｔｅｓｔｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆ     

淤地坝坝面过水试验研究

作者提出应用土工膜衬护,直接在淤地坝坝面设置溢洪道的坝面过水技术方案,并以宋家沟试验淤地坝为依托工程,进行了现场大型试验.试验研究了平底式与阶梯式两种过水方案.试验结果表明：同等条件下,平底式方案末端最高流速达10.7m/s,而阶梯式方案则为3.1m/s,说明阶梯式方案具有较好的消能作用;在上述流速下,两种方案的结构整体稳定,说明土工膜的铺设结构形式与固定方法是合适的;从耐磨抗冲刷性能看,土工膜抗碎石的耐磨性尚待进一步研究;从施工难度、土工膜用量和成本等方面比较,平底方案具有较大的优越性.