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台阶式溢洪道水力特性的试验研究

曾东洋  
【摘要】:台阶式溢洪道是结合RCC技术提出的一种具有高消能率的溢洪道新形式。由于台阶式溢洪道的特殊体型和显著的消能效率,目前已在中小型工程上大量采用,并开始逐步运用于高水头水工建筑物。然而,目前台阶式溢洪道水力特性研究还处于起步阶段,尚无详细的系统性成果。本文通过模型试验和理论分析相结合的方法研究了台阶式溢洪道的水流流态、压强、水面线、流速、沿程水头损失、掺气和消能效果。这些研究对于台阶式溢洪道的发展和应用具有重要的意义。 本文通过试验研究得出以下结论: 1:研究表明台阶式溢洪道的水流流态可以分为跌落流和滑行流两种流态。当来流量较小,临界水深小于台阶步高时,溢洪道上出现跌落流流态;来流量增大,临界水深大于台阶步高时为滑行流流态。 2:研究了台阶式溢洪道的时均压强和脉动压强特性。试验表明,台阶水平断面时均压强从凹角向凸角先降低,然后逐渐增大。当坡度较小时,最小值出现在距凹角约为(0.3~0.4)倍步长处,最大值出现在距凹角约为(0.7~0.9)倍步长处,凸角处压强有所减小;当坡度较大时,最小值出现在距凹角约为0.5倍步长处,最大值出现在凸角附近,且凸角压强没有明显降低。时均压强沿程分布呈波浪式发展,即在台阶上交替出现最大值和最小值。台阶铅直断面凹角时均压强最大,约在0.5倍步高开始出现负压值,在(0.5~1)倍步高范围内形成负压区,凸角下缘出现最大时均压强负压值。对脉动压强的研究结果表明,台阶内的脉动压强从凹角向凸角逐渐增大,脉动压强强度沿程亦呈波浪式发展,即在相邻台阶上交替出现波峰和波谷。 3:研究了台阶式溢洪道的水面线和流速分布。提出了水面线的计算方法,研究了流速系数的沿程变化规律并提出了流速系数计算公式。通过对水面线和流速分布的研究,提出了台阶式溢洪道沿程水头损失的计算方法。 4:研究了台阶式溢洪道上的掺气规律。提出了台阶式溢洪道断面掺气的分区方法,即底部掺气区、楔形清水区、水中气泡区(悬移区)、空中水滴区(跃移区)。提出了台阶式溢洪道初始掺气点的计算方法,研究了断面掺气浓度分布、沿程掺气浓度分布,计算了断面平均掺气浓度和含水率。 5:研究了台阶式溢洪道的消能效果。分析了台阶式溢洪道消能率的沿程变化规律,提出了坝下消能量的计算方法。


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