阿拉溝溢洪道水工模型試驗(yàn)研究

1、<p>　　阿拉溝溢洪道水工模型試驗(yàn)研究</p><p>　　作者： 指導(dǎo)教師： </p><p>　　摘要：通過(guò)阿拉溝溢洪道水工模型試驗(yàn)研究，我們對(duì)其原設(shè)計(jì)方案的體型進(jìn)行了優(yōu)化。試驗(yàn)表明，消力池在設(shè)計(jì)洪水位運(yùn)行時(shí)，水躍前后波動(dòng)劇烈，水流大量溢出消力池邊墻，沒(méi)有形成底流消能流態(tài)，不能滿足消能要求。根據(jù)工程實(shí)際特點(diǎn)，我們通過(guò)多個(gè)對(duì)比方案的試驗(yàn)，提出了推薦的

2、消力池體型，通過(guò)模型驗(yàn)證，完全滿足工程要求，并被設(shè)計(jì)采用，也可以為同類工程設(shè)計(jì)提供參考。最后還對(duì)臺(tái)階的消能率進(jìn)行分析，結(jié)果表明其消能率可高達(dá)60%~80%。因此，臺(tái)階消能對(duì)于縮短消力池的體型，減小其工程量方面起著重要的作用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：阿拉溝 臺(tái)階消能 消力池 摻氣減蝕 模型試驗(yàn)</p><p><b>　　Abstract</b></p>

3、;<p>　　Through the hydraulic model test of Ala Creek spillway, we optimized the original design scheme. Tests have shown that the stilling basin cannot meet the energy dissipation requirements in the design of flo

4、od water level. Because the side wall height is insufficient, the water is turned outward and jump volatility, in the stilling pool. Therefore, the water did not form expected underflow energy dissipation, in the stillin

5、g pool. According to the characteristics of the actual project, we propose</p><p>　　Key words: Ala Creek; Step energy dissipation; stilling basin; Reducing cavitations by Aeration; Hydraulic model test</p

6、><p><b>　　1．工程概況</b></p><p>　　阿拉溝水庫(kù)位于新疆維吾爾族自治區(qū)托克遜縣境內(nèi)，是阿拉溝河和兩河流域的重要控制性工程，壩址距阿拉溝出山口以上3.5km，距托克遜縣75km，距吐魯番市130km，距烏魯木齊市235公里，距南疆鐵路魚(yú)溝車站5公里。</p><p>　　阿拉溝水庫(kù)具有防洪、供水、灌溉等綜合利用效益，控制灌溉

7、面積10.7萬(wàn)畝，擔(dān)負(fù)下游工業(yè)園區(qū)，南山礦區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉的供水任務(wù)。其防護(hù)保洪對(duì)象主要為阿拉溝渠首，阿拉溝引水干渠，青年干渠，南疆通訊光纜主干線及下游托克遜縣城和伊拉湖等三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。工程壩址多年平均徑流量為1.343億立方米，多年平均流量4.26立方米每秒。</p><p>　　工程樞紐部分主要建筑物由大壩，溢洪道，導(dǎo)流洞和灌溉放水洞工程組成。</p><p>　　瀝青砼心墻砂礫石壩頂高程95

8、0.26m，防浪墻高1.2m，壩頂寬9.0m，大壩建基面高程為845.00m，壩高105.26m，壩長(zhǎng)365.48m，上游坡比1:2.2，下游坡比1:2.0。</p><p>　　阿拉溝水庫(kù)溢洪道位于大壩右岸，按100年一遇設(shè)計(jì)，2000年一遇校核。水庫(kù)防洪限制水位為943.00m，防洪高水位944.50m，溢洪道堰頂高程為939.00m。</p><p>　　溢洪道采用直線布置，堰軸線與

9、大壩軸線夾角為166.48°，為開(kāi)敞式正槽岸邊溢洪道，設(shè)閘門控制。溢洪道包括進(jìn)水渠，控制段，泄槽和消能防沖設(shè)施四部分組成，總長(zhǎng)298.30m，利用三扇8×5.5m（寬×高）的弧形閘門控制，控制段寬度為28m，其后40m為漸變段，漸變段后等寬20m，泄槽采用矩形斷面，縱坡25.9%，消能防沖設(shè)施采用底流消能。</p><p><b>　　2．溢洪道總體布置</b>

10、</p><p>　　溢洪道布置在右岸，采用直線布置，為開(kāi)敞式正槽岸邊溢洪道，閘門控制，包括進(jìn)水渠，連接過(guò)渡段，控制端，臺(tái)階段，輸水段，消能防沖設(shè)施六部分組成。</p><p>　　進(jìn)水渠（0-070.76~0-005.70）</p><p>　　進(jìn)水渠為圓弧型段，半徑為82.844m，夾角為43度54分43秒，襯砌結(jié)構(gòu)為矩形平底寬渠道，平坡坡底，寬度28.0m。底

11、板高程936.75m，底板及導(dǎo)墻采用鋼筋混凝土砌筑，底板襯砌厚度0.6m，靠近壩體的邊墻采用重力式擋土墻，頂寬0.8m，底寬6.98m；靠近山體的邊墻采用衡重式擋土墻，頂寬0.5m，底寬3.2m，擋土墻高15.81m，導(dǎo)墻頂部高程為951.46m。</p><p>　　控制段（0-005.70~0+010.3）</p><p>　　控制段中溢流堰采用駝峰堰，堰頂高程939.0m，利用8&#

12、215;5.5m（寬×高）的弧形閘門控制，中墩厚度2.0m，邊墩頂寬2.5m，控制段沿水流方向長(zhǎng)16m，堰底建基面高程934.25m，安裝三臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。為滿足交通要求，閘墩上游側(cè)布置公路橋，橋面寬4m，橋面高程950.26m，與大壩壩頂相接。</p><p>　　連接過(guò)渡段（0+010.3~0+068.03）</p><p>　　控制段后40.0m為漸變段（0+010.3~0+

13、050. 3），泄槽寬度逐漸由28m變?yōu)?0m，夾角為6°，漸變段后等寬布置，泄槽采用矩形斷面，總長(zhǎng)40m。在樁號(hào)0+050.3~0+068.03段，泄槽采用矩形斷面，泄槽寬度為20m，縱坡為2.0%。</p><p>　　連接過(guò)渡段（0+068.03~0+132.03）</p><p>　　樁號(hào)0+068.03~0+083.43段為臺(tái)階高度和水平寬度漸變段，與下游臺(tái)階相連接，臺(tái)

14、階大小依次為（高度×水平長(zhǎng)度）25cm×140cm，25cm×140cm，25cm×140cm，25cm×140cm，25cm×140cm，50cm×140cm， 50cm×100cm，50cm×100cm，50cm×100cm，75cm×100cm，75cm×100cm，75cm×100cm，75m

15、5;100cm。</p><p>　　樁號(hào)0+083.43~0+132.03段，臺(tái)階寬度為0.9m，高度為1.0m，梯坡比為1：0.9，泄槽底板厚度0.6m，側(cè)墻為擋土墻結(jié)構(gòu)，上部厚度0.5m，底部厚度3.84m，側(cè)墻高度為7.0m。</p><p>　　輸水段（0+132.03~0+245.73）</p><p>　　輸水段長(zhǎng)度為113.70m，為矩形槽結(jié)構(gòu)，寬度

16、為20m。其中樁號(hào)0+132.03~0+222.03縱坡為3%，邊墻高7.0m，靠近壩體采用重力式擋土墻，靠近山體側(cè)采用衡重式擋土墻，（除樁號(hào)0+222.03~0+235.19采用板樁式，邊墻厚1.0m）。樁號(hào)0+222.03~0+235.19采用圓弧連接，圓弧半徑為20.8m，圓心角為40°，與上端和下端平順相接，邊墻高度由7.0m漸變至10.0m，靠近壩體采用重力式擋土墻，靠近山體側(cè)采用板樁式擋土墻，樁號(hào)0+235.19~

17、0+245.73縱坡i=1.1，邊墻高10.0m?？拷鼔误w采用重力式擋土墻，靠近山體采用板樁式擋土墻，底板采用分離式面板。</p><p>　　消能防沖設(shè)施段（0+245.73~0+295.73）</p><p>　　輸水段末端接消力池，消力池長(zhǎng)度為30.0m，深度為4.8m。消力池后接海幔，長(zhǎng)度為20.0m，其中水平段長(zhǎng)10.0m，緩坡段長(zhǎng)10.0m，坡度i=0.1。海幔末端處用拋石進(jìn)行

18、回填，消力池段邊墻高10.0m，海幔邊墻高6.0m，樁號(hào)0+245.73~0+270.73靠近山體側(cè)采用板樁式擋土墻，墻厚度1.0m，其余段及靠近壩體側(cè)擋土墻采用重力式。</p><p><b>　　3．特征水位</b></p><p>　　校核洪水位947.80m， 設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)泄流量1240.8m³/s</p><p>　　設(shè)計(jì)洪水位

19、944.60m，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)泄流量629.9 m³/s</p><p>　　正常蓄水位944.50m，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)泄流量613.1 m³/s</p><p><b>　　4．試驗(yàn)?zāi)康娜蝿?wù)</b></p><p>　　檢驗(yàn)溢洪道進(jìn)口水流條件和進(jìn)口體型的合理性，并提出優(yōu)化措施；</p><p>　　檢驗(yàn)溢洪道控制

20、段溢流堰堰型的合理性，驗(yàn)證泄流能力，并提出改進(jìn)措施。</p><p>　　測(cè)定溢洪道各部位水深、流速、壓強(qiáng)分布情況，提出防止空蝕破壞的措施。</p><p>　　對(duì)臺(tái)階溢洪道水流流態(tài)，效能效果進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證臺(tái)階體型（高、寬尺寸）的合理性，并對(duì)底流消力池體型進(jìn)行優(yōu)化（包括消力池長(zhǎng)度，高度及深度）。</p><p>　　觀測(cè)閘門調(diào)度運(yùn)行的最佳組合，提出合理的閘門調(diào)度方案

21、和調(diào)度程序。（如：不同泄量情況下閘門開(kāi)啟個(gè)數(shù)，順序以及閘門開(kāi)度等）</p><p>　　5．模型的制作和精度要求</p><p>　　模型根據(jù)重力相似定律（弗汝得模型定律）進(jìn)行設(shè)計(jì)，即只考慮原型與模型間促成運(yùn)動(dòng)的主要作用力為重力，將次要影響力略去不計(jì)【1】，則重力比例為：</p><p>　　按原型與模型動(dòng)力相似的必要條件，慣性力比例與作用力比例相等，即或，故得重力

22、相似定律：</p><p>　　時(shí)間比尺 ： </p><p>　　流速比尺 ： </p><p>　　由于，以上兩式可寫(xiě)成： </p><p>　　其他各量的模型比尺，皆可從上面兩式推導(dǎo)得出：</p><p>　　流量比尺： </p><p&

23、gt;　　根據(jù)曼寧公式： </p><p>　　式中R為水力半徑，S為水力坡降。故得：</p><p>　　渠道糙率系數(shù)的模型比尺：</p><p>　　根據(jù)委托方對(duì)模型試驗(yàn)的任務(wù)要求，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地等條件，經(jīng)雙方商定后，采用比尺。則相應(yīng)地就可以得到流量比尺、流速比尺、時(shí)間比尺和糙率比尺，如下：</p><p><b>

24、　　流量比尺 </b></p><p><b>　　流速比尺 </b></p><p><b>　　時(shí)間比尺 </b></p><p><b>　　糙率比尺 </b></p><p>　　模型的制作是根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的阿拉溝總體平面布置圖推薦方案：溢洪道結(jié)構(gòu)

25、圖推薦方案進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。模型制作范圍為：上游庫(kù)區(qū)長(zhǎng)300m，寬度186m；下游河道從消力池向下游長(zhǎng)約320m，寬度為120m。模型由進(jìn)水渠段到海幔段用有機(jī)玻璃制作，以滿足糙率比尺要求。同時(shí)有機(jī)玻璃模型具有拆卸功能，便于觀察水流流態(tài)，能夠滿足修改、優(yōu)化的要求。各軸線用經(jīng)緯儀確定。進(jìn)口壩前水庫(kù)和尾水渠后均做地形，地形制作采用斷面板法，用三夾板繪制好斷面板，校核后經(jīng)鋸剪加工成地形模板。模型地形采用水泥粗砂漿粉面木抹板拉毛，混凝土部分采用水泥砂

26、漿粉面鐵抹板抹光。</p><p>　　用水準(zhǔn)儀確定各斷面控制高程，建筑物模型高程允許誤差為±0.3mm，地形高程允許誤差為±2mm，平面距離允許誤差為±10mm。用經(jīng)緯儀控制平面導(dǎo)線布置，允許偏差為±0.1°。泄流量、時(shí)均動(dòng)水壓力、水位、流速分別采用三角堰、測(cè)壓管、水位測(cè)針、旋漿式流速儀進(jìn)行水力學(xué)參數(shù)采集。泄流量率定時(shí)，流量誤差小于±1%，測(cè)壓孔內(nèi)徑小

27、于2mm，測(cè)壓管（玻璃管）內(nèi)徑大于1cm，用水準(zhǔn)儀測(cè)定各測(cè)點(diǎn)及測(cè)壓版零點(diǎn)高程，測(cè)讀精度應(yīng)達(dá)0.3mm，在靜水中校驗(yàn)測(cè)壓管液面與測(cè)點(diǎn)高程一致，誤差不超過(guò)0.5mm，流態(tài)穩(wěn)定后方能測(cè)讀，測(cè)讀精度控制在3mm以內(nèi)。水位測(cè)針零點(diǎn)高程的精度應(yīng)控制在0.2mm，沒(méi)測(cè)一次，應(yīng)重復(fù)測(cè)讀2~3次，取其穩(wěn)定值或平均值，測(cè)針精度應(yīng)控制在0.3mm。用流速儀側(cè)流速時(shí)，每一測(cè)點(diǎn)記錄值不得少于4~5次，每次采集時(shí)間不得少于5~10s?！?】</p>

28、<p>　　中等情況下的渠道混凝土襯砌表面糙率：n＝0.014，【3】則沿程阻力相似所要求的模型糙率應(yīng)為0.0071，根據(jù)大量模型試驗(yàn)，有機(jī)玻璃制作的模型糙率約為0.0070~0.0085【4】【5】【6】，故糙率基本相似。</p><p><b>　　6．試驗(yàn)工作規(guī)劃</b></p><p>　　依照水工模型試驗(yàn)的基本程序及工作步驟，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)所要研究的內(nèi)

29、容，試驗(yàn)工作分為三個(gè)階段。</p><p>　　首先，按照設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)溢洪道布置方案進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)資料，對(duì)其設(shè)計(jì)體型進(jìn)行評(píng)判，提交試驗(yàn)中間成果。</p><p>　　其次通過(guò)業(yè)主和設(shè)計(jì)單位討論，得到初步修改優(yōu)化方案。并對(duì)體型進(jìn)行修改和優(yōu)化，提出適合該工程的推薦體型方案。</p><p>　　第三對(duì)推薦的體型進(jìn)行全面測(cè)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)，也為工程

30、的運(yùn)行提供參考。</p><p><b>　　7．原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)</b></p><p>　　原方案試驗(yàn)是按照設(shè)計(jì)院提供的阿拉溝溢洪道布置圖進(jìn)行模型的制作，并進(jìn)行相應(yīng)的模型測(cè)試工作，以驗(yàn)證原設(shè)計(jì)泄水建筑物體型的合理性。</p><p>　　7.1原設(shè)計(jì)方案泄流關(guān)系</p><p>　　試驗(yàn)首先對(duì)原設(shè)計(jì)溢洪道在三孔全開(kāi)的工

31、況下的水庫(kù)水位~流量進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，各特征庫(kù)水位的試驗(yàn)實(shí)測(cè)流量結(jié)果見(jiàn)表1。</p><p>　　表1 原設(shè)計(jì)方案各特征庫(kù)水位的試驗(yàn)實(shí)測(cè)流量表</p><p>　　從表中的測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)庫(kù)水位為校核洪水時(shí)，模型實(shí)測(cè)泄流量為1188.88 m³/s，小4.18%，說(shuō)明校核洪水位泄流量不滿足設(shè)計(jì)。同樣對(duì)于設(shè)計(jì)洪水位944.60m和正常蓄水位944.50m來(lái)說(shuō)，其泄流量分別小于設(shè)計(jì)值

32、3.44%和3.19%。故應(yīng)調(diào)整進(jìn)口導(dǎo)墻線型，改善進(jìn)口水流流態(tài)，使水流更加順暢，以達(dá)到增加下泄流量的目的。</p><p>　　7.2校核洪水位試驗(yàn)</p><p><b>　　7.2.1水流流態(tài)</b></p><p>　　試驗(yàn)對(duì)于原設(shè)計(jì)方案沒(méi)有設(shè)計(jì)摻氣孔時(shí)的核洪水位的水流流態(tài)進(jìn)行了觀察，由于水庫(kù)水位位于校核洪水位，溢洪道進(jìn)口水深大，水流受到

33、左導(dǎo)墻的影響就較為明顯，在導(dǎo)墻位置就形成了較為明顯的繞流流態(tài)，有直接影響左孔的泄洪能力。在水流通過(guò)閘孔后，由于受閘墩以及漸縮段的影響，下泄水流在漸縮段形成較為穩(wěn)定的沖擊波，波浪位置相對(duì)穩(wěn)定。在0＋061.30斷面處，由于波浪影響，在該斷面右邊墻的折沖點(diǎn)，水面雍高，最大水深為6.9m，此處的邊墻高度也為6.9m，故邊墻沒(méi)有超高余幅。通過(guò)漸縮段水流的調(diào)整，到達(dá)臺(tái)階處已形成穩(wěn)定的水流流態(tài)。</p><p>　　在臺(tái)階段

34、，水流順暢，水體透明，說(shuō)明自然摻氣不明顯。到達(dá)臺(tái)階末端后，由于其下游輸水渠道和臺(tái)階面沒(méi)有圓弧過(guò)渡，使得水流連接不順暢，故水流直接沖擊渠道底板，并形成反射水流。</p><p>　　在輸水渠道末端，由于水流流速較大，水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)為拋物線規(guī)律，而原設(shè)計(jì)渠道縱向按照?qǐng)A弧曲線后接1:1坡度體型設(shè)計(jì)，渠底曲線變化曲率太大，水流出現(xiàn)脫壁現(xiàn)象，故在圓弧段出現(xiàn)較大負(fù)壓。</p><p>　　對(duì)消力池來(lái)說(shuō)

35、，由于水流進(jìn)入消力池沒(méi)有沿渠底板通過(guò)底流流態(tài)進(jìn)入，而是以射流流態(tài)進(jìn)入消力池，此時(shí)消力池已成為一個(gè)消能水墊塘，并且水墊塘的邊墻高度不能滿足消能水深的要求，消能不充分，因此應(yīng)對(duì)消力池進(jìn)行加長(zhǎng)和邊墻加高。</p><p>　　由于消力池消能不充分，出口渠道長(zhǎng)度不足，故消力池出口的水流對(duì)下游河道的沖刷范圍必然較大，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　7.2.2沿程水面線及壓強(qiáng)分布</p&g

36、t;<p>　　試驗(yàn)對(duì)原設(shè)計(jì)校核水位947.80m泄洪工況的沿程水面線進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)，從沿程水面線的資料也可以看出，除臺(tái)階和輸水渠道的水面過(guò)度不順暢外，還存在消力池邊墻高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的問(wèn)題，試驗(yàn)測(cè)得，在消力池末端，平均最高水面線高程為873.93m，而設(shè)計(jì)消力池邊墻高度僅為867.73米，相差6.20米?？傊瑥难爻趟婢€的變化看，溢洪道縱向體型堰過(guò)渡不順暢，有待重新調(diào)整。</p><p>　　校核洪水位

37、運(yùn)行工況下，泄水建筑物底板中心沿程壓強(qiáng)從模型測(cè)驗(yàn)結(jié)果測(cè)驗(yàn)的資料看，進(jìn)口控制段沿程壓強(qiáng)分布較為良好，特別是駝峰堰沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)壓強(qiáng)，說(shuō)明其曲線線型良好，滿足泄洪要求，漸縮段底板中心沿程壓強(qiáng)分布良好。</p><p>　　由于在臺(tái)階形成較強(qiáng)的螺旋水流，這樣就會(huì)在臺(tái)階的前緣小范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，從模型測(cè)驗(yàn)到的壓強(qiáng)來(lái)看，測(cè)得的最小負(fù)壓在T7測(cè)壓管上，其值為－2.34×9.8KPa，（原設(shè)計(jì)方案在此處設(shè)計(jì)摻氣槽）。臺(tái)階

38、的最大壓強(qiáng)出現(xiàn)在T21測(cè)壓管上，其值為12.87×9.8KPa。</p><p>　　對(duì)輸水渠道來(lái)說(shuō)，P1測(cè)壓管位置為水流沖擊點(diǎn)，壓強(qiáng)最大為17.53×9.8KPa，P3為水流反射區(qū)間，故壓強(qiáng)較小為－1.07×9.8KPa。</p><p>　　對(duì)圓弧段，由于水流流態(tài)為挑射流態(tài)，故圓弧段水流有脫壁趨勢(shì)，故試驗(yàn)實(shí)測(cè)圓弧段壓強(qiáng)全部為負(fù)壓強(qiáng)，最大值為－7.32

39、15;9.8KPa。消力池段壓強(qiáng)全部為正壓強(qiáng)，其壓強(qiáng)分布較為合理?？傊?，從沿程壓強(qiáng)分布實(shí)測(cè)資料分析來(lái)看，臺(tái)階下游連接段以及圓弧段的體型應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　7.3設(shè)計(jì)洪水位試驗(yàn)</p><p><b>　　7.3.1水流流態(tài)</b></p><p>　　當(dāng)庫(kù)水位為設(shè)計(jì)洪水位944.60m時(shí)，試驗(yàn)依然采用三孔全開(kāi)的試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑藭r(shí)下泄

40、流量為608.23m³/s，進(jìn)口左導(dǎo)墻水流依然有繞流存在，其強(qiáng)度較校核洪水位相比有所減弱。</p><p>　　漸縮段的水流流態(tài)依然存在沖擊波，在平面上表現(xiàn)為對(duì)稱波形分布，波峰和波谷位置基本不變。</p><p>　　臺(tái)階段水流順暢，在臺(tái)階下游約1/3段自然摻氣明顯，水流呈現(xiàn)為乳白色，在臺(tái)階和輸水渠道過(guò)渡位置依然有水流反射存在，流態(tài)不順暢。</p><p>

41、;　　下游消力池流態(tài)情況和校核洪水位情況相同，由于流量變小，水面比校核洪水位工況低，試驗(yàn)測(cè)得消力池末端平均水位為869.53m，設(shè)計(jì)消力池邊墻高度為867.73m，平均水面超高1.80m，消力池邊墻高度依然不夠，故消力池體型需要調(diào)整。</p><p>　　7.3.2沿程水面線及壓強(qiáng)分布</p><p>　　為了了解原設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)洪水位的沿程水面線及壓強(qiáng)分布情況，試驗(yàn)也對(duì)該工況進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)，從

42、測(cè)驗(yàn)資料可以看出沿程水面線和沿程壓強(qiáng)分布規(guī)律和校核洪水位情況相同，量值變小，強(qiáng)度變?nèi)酢?lt;/p><p>　　7.4原設(shè)計(jì)方案摻氣試驗(yàn)</p><p>　　試驗(yàn)按照原設(shè)計(jì)方案的摻氣槽位置，在0＋084.33位置的臺(tái)階左右兩邊設(shè)置通氣孔，當(dāng)庫(kù)水位在校核洪水位時(shí)，摻氣空腔穩(wěn)定，空腔長(zhǎng)度為四個(gè)臺(tái)階距離，由于水流摻氣充分故模型臺(tái)階水流呈現(xiàn)為乳白色。</p><p>　　對(duì)設(shè)計(jì)

43、洪水位來(lái)說(shuō)，摻氣空腔依然穩(wěn)定，長(zhǎng)度基本和校核洪水位相同。由此可以得出原設(shè)計(jì)方案摻氣位置設(shè)置合理，摻氣空腔穩(wěn)定。</p><p>　　7.5原設(shè)計(jì)方案斷面流速</p><p>　　為了了解原設(shè)計(jì)方案在特征斷面的水流流速，試驗(yàn)分別對(duì)臺(tái)階起點(diǎn)0＋068.03；摻氣孔上游0＋082.43，輸水渠末端0＋222.03以及0＋286.96四個(gè)斷面水深中心點(diǎn)的流速進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)，測(cè)驗(yàn)儀器為L(zhǎng)GY—Ⅱ型智能流

44、速儀，結(jié)果見(jiàn)表2。</p><p>　　表2原設(shè)計(jì)方案溢洪道沿程特征斷面的水流流速</p><p>　　從表中流速可以看出，斷面0＋222.03的流速較大，所以水流在圓弧段表現(xiàn)為水平射流流態(tài)。故在圓弧底板形成較大的負(fù)壓區(qū)間，也再次證明原設(shè)計(jì)圓弧渠道不滿足水流泄要求，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行修改。</p><p>　　7.6原設(shè)計(jì)方案的結(jié)論和建議</p><p&

45、gt;　　通過(guò)對(duì)原設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)資料進(jìn)行分析，可以看出，整個(gè)設(shè)計(jì)方案水流下泄流線不順暢，縱向體型有待商榷，基本結(jié)論如下：</p><p>　　當(dāng)水庫(kù)水位為校核洪水位947.80m時(shí)，實(shí)測(cè)下泄流量為1188.88 m³/s，比原設(shè)計(jì)下泄流量1240.8 m³/s小4.18%。</p><p>　　臺(tái)階末端水流直接沖擊輸水渠道末端，并產(chǎn)生反彈水流流態(tài)，體型不良，應(yīng)進(jìn)行修改。

46、</p><p>　　由于輸水渠道末端水流流速大，圓弧渠道底板曲線不能和水流流線重合，并在圓弧段長(zhǎng)生較大的負(fù)壓區(qū)，應(yīng)對(duì)體型進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　由于輸水渠道末端水流流速較大，原設(shè)計(jì)消力池消能形式已經(jīng)成為水墊塘消能形式，并且在校核工況其體型尺寸不能滿足水流要求，需要進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　下游消力池出口渠道較短，不能滿足水流的調(diào)整要求。</p&

47、gt;<p>　　原設(shè)計(jì)摻氣槽位置合理，摻氣空腔穩(wěn)定。</p><p><b>　　8．新設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)</b></p><p>　　通過(guò)對(duì)原設(shè)計(jì)方案結(jié)論進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)院提供了三個(gè)新設(shè)計(jì)方案，三個(gè)新方案的臺(tái)階坡度分別為：i=1:0.9，i=1:1.1和i=1:1.2。通過(guò)協(xié)商，模型試驗(yàn)采用臺(tái)階坡度i=1:0.9的方案進(jìn)行試驗(yàn)，并按照新設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行相應(yīng)

48、的模型加工制作。</p><p>　　8.1新設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)</p><p>　　新設(shè)計(jì)方案主要是對(duì)溢洪道縱向線型進(jìn)行了調(diào)整，其中從閘室進(jìn)口到漸縮段末端0＋050.30依然保持原設(shè)計(jì)體型不變，從0＋050.30位置向下，一直到溢洪道末端，新方案還是保持原設(shè)計(jì)中心線不變，且泄水建筑物的寬度依然保持為20m，從0＋064.82~0＋083.43未半徑30m的圓弧線，0＋083.43~0＋125.

49、73是臺(tái)階段，臺(tái)階比降i=1:0.9。0＋125.73~0＋144.63為半徑30m的反圓弧曲線，然后與i=1:10的輸水渠連接，輸水渠樁號(hào)0＋144.63~0＋214.63。后接比降1:3的陡坡0＋214.63~0＋264.63，消力池從0＋264.63~0＋304.63；為了便于模型試驗(yàn)的修改優(yōu)化，在新設(shè)計(jì)體型制模時(shí)，將新設(shè)計(jì)方案消力池從設(shè)計(jì)的40m加長(zhǎng)為60m，其他位置按照新設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行模型的加工和之制作。</p>

50、<p>　　通過(guò)對(duì)新設(shè)計(jì)方案校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位的試驗(yàn)，可以看出正圓弧、臺(tái)階段，反弧以及輸水渠道，水流都比較順暢，消力池水流流態(tài)尚不理想。其中校核洪水位工況的臺(tái)階段流態(tài)，從正圓弧一直到輸水渠道末端的水流都比較順暢，穩(wěn)定。輸水渠末端和消力池連接的1:3比較陡坡起點(diǎn)水流依然有平射流態(tài)，所以局部出現(xiàn)負(fù)壓，試驗(yàn)測(cè)到的最大負(fù)壓在校核洪水位工況，C1測(cè)壓管0＋216.97處，壓強(qiáng)為－1.85×9.8KPa。消力池水流流態(tài)不理

51、想，表現(xiàn)為沒(méi)有形成底流消能流態(tài)，水流在消力池尾坎形成挑射水流流態(tài)，說(shuō)明水流沒(méi)有從急流流態(tài)完全過(guò)渡到緩流流態(tài)，故消力池體型不適合校核工況，需要進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　對(duì)設(shè)計(jì)洪水位來(lái)說(shuō)，其水流流態(tài)從試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)觀察，其水流和校核洪水位的基本相同，依然保持順暢，穩(wěn)定。消力池流態(tài)明顯可以看出，該工況消力池依然沒(méi)有形成底流消能流態(tài)。因此，新設(shè)計(jì)的消力池體型需要進(jìn)行調(diào)整。消力池中布設(shè)輔助消能工是目前應(yīng)用于底流消能中最為

52、經(jīng)濟(jì)的一種泄洪消能型式。在這種消能型式中，下泄水流內(nèi)部的流速梯度增加，迫使水流在消力池內(nèi)紊動(dòng)混摻加劇，改變水躍形態(tài)，進(jìn)而達(dá)到提高水躍的消能效率【7】。但是溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范【8】中規(guī)定，當(dāng)躍前斷面平均流速超過(guò)16~18 m／s時(shí)池內(nèi)不宜設(shè)置趾墩、消力墩等輔助消能工。有資料表明，設(shè)置消力墩的消力池入池流速不應(yīng)超過(guò)16m／s，否則可能引起消能工的氣蝕破壞【9】。本次試驗(yàn)中，在校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位和消能防沖水位斷面平均流速都超過(guò)16 m／s。因

53、此，本設(shè)計(jì)中消力池的體型只能從池長(zhǎng)和池深進(jìn)行修改和優(yōu)化。</p><p><b>　　8.2修改一試驗(yàn)</b></p><p>　　修改一采用將消力池長(zhǎng)度從40m加長(zhǎng)到60m，消力池深度保持不變，修改的目的是為了讓水流進(jìn)入消力池后，能夠有足夠的距離讓水流在消力池內(nèi)發(fā)生能量交換，從而達(dá)到消能的目的，消力池底板的高程為857.38m，尾坎高度保持4.8m不變。</p

54、><p>　　通過(guò)對(duì)校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位兩工況的試驗(yàn)，從消力池水流流態(tài)看，消力池依然不能滿足兩工況消能的要求，說(shuō)明水流進(jìn)入消力池的流速過(guò)大，單獨(dú)采用加長(zhǎng)消力池的方法是不能解決問(wèn)題的，還應(yīng)采取增加消力池的深度的措施，以增加水流的淹沒(méi)深度，從而達(dá)到消能的目的。</p><p><b>　　8.3修改二試驗(yàn)</b></p><p>　　由于水流在修改一

55、的消力池體型內(nèi)的淹沒(méi)深度不夠，水躍躍首遠(yuǎn)趨，因此修改二試驗(yàn)，將消力池體型消力池尾坎抬高到8m，消力池長(zhǎng)60m保持不變。</p><p>　　從校核洪水位的水流流態(tài)看，校核洪水位基本形成了底流消能流態(tài)，但由于消力池下游出口水位低，尾水渠流態(tài)不是特別理想。設(shè)計(jì)洪水位工況，消力池內(nèi)完全形成了較為穩(wěn)定的底流消能流態(tài)，并且從實(shí)驗(yàn)觀察的流態(tài)看，該工況的消力池還有縮短的空間。因此，試驗(yàn)對(duì)消力池體型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以找到更優(yōu)的

56、體型。</p><p><b>　　8.4修改三試驗(yàn)</b></p><p>　　修改三是將消力池尾坎保持8m不變，消力池長(zhǎng)度縮短到50m，以驗(yàn)證該體型能否滿足設(shè)計(jì)洪水位的消能要求，同時(shí)也判斷校核洪水位下消力池的水流流態(tài)。</p><p>　　從流態(tài)看，校核洪水位的水躍完全在消力池內(nèi)，由于水流波動(dòng)強(qiáng)烈沒(méi)有形成穩(wěn)定的底流消能流態(tài)，但也沒(méi)有出現(xiàn)遠(yuǎn)趨

57、式射流流態(tài)。</p><p>　　對(duì)設(shè)計(jì)洪水位來(lái)說(shuō)可以形成底流消能流態(tài)，水流到達(dá)消力池末端基本穩(wěn)定，如果依照設(shè)計(jì)洪水位作為消力池體型判斷的標(biāo)準(zhǔn)，該體型可以作為推薦體型。</p><p><b>　　8.5修改四試驗(yàn)</b></p><p>　　為了盡量減少工程量，降低工程造價(jià)，試驗(yàn)在修改三的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了修改四的體型優(yōu)化試驗(yàn)，修改四是將消力池的

58、尾坎調(diào)整到6米，消力池長(zhǎng)度50米保持不變。目的是能找到在設(shè)計(jì)洪水位的工況下，在消力池內(nèi)能完全形成底流消能的水流流態(tài)的最小消力池體型。在校核洪水位情況下，消力池內(nèi)的流態(tài)明顯沒(méi)有形成穩(wěn)定的流態(tài)。在設(shè)計(jì)洪水位下的消力池水流流態(tài)，可以看出，基本上還是形成了穩(wěn)定的底流消能流態(tài)，所以，不考慮校核洪水位下的消能問(wèn)題的前提下，以設(shè)計(jì)洪水位作為判定標(biāo)準(zhǔn)，修改四可以作為設(shè)計(jì)采用體型。</p><p><b>　　8.6修改

59、試驗(yàn)匯總</b></p><p>　　由于阿拉溝溢洪道的最終問(wèn)題是解決消力池的消能問(wèn)題，所以試驗(yàn)也把重點(diǎn)放在消力池的體型優(yōu)化上，通過(guò)對(duì)以上五個(gè)修改體型的研究，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：</p><p>　　1如果要保證校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位工況消力池都能滿足要求，建議采用修改三消力池體型；</p><p>　　2不考慮校核洪水位，單獨(dú)以設(shè)計(jì)洪水位作為判段消力

60、池體型的標(biāo)準(zhǔn)，建議采用修改四消力池體型；</p><p>　　3各個(gè)體型消力池尾坎處的水面最大深度匯總見(jiàn)表3。</p><p>　　表3新設(shè)計(jì)方案各個(gè)修改體型消力池尾坎處的水面最大深度匯總表</p><p>　　通過(guò)上表可以得到消力池邊墻高度，也為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。</p><p>　　9．消力池底板降1.2m試驗(yàn)</p>&l

61、t;p>　　通過(guò)和設(shè)計(jì)單位再次對(duì)新方案試驗(yàn)結(jié)果的溝通，決定采用上述修改四試驗(yàn)作為修改體型，即消力池尾坎高6m，消力池長(zhǎng)50m，消力池底板從原來(lái)的857.38m高程，降低到856.18m高程，消力池起點(diǎn)樁號(hào)由0＋264.63變位0＋268.23，向下游移動(dòng)3.6m。</p><p>　　9.1設(shè)計(jì)洪水位試驗(yàn)</p><p>　　按照以上模型試驗(yàn)資料的結(jié)論，設(shè)計(jì)消力池底板降低1.2m后，

62、該消力池體型應(yīng)該能完全滿足設(shè)計(jì)洪水位工況下泄水流的消能要求，因此，試驗(yàn)首先對(duì)該消力池體型的消能流態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行觀察，以便確認(rèn)該體型的合理性。設(shè)計(jì)洪水位全開(kāi)下泄流量608.23 m³/s，消能水流流態(tài)良好，和修改方案四基本相同，完全可以滿足該工況的消能要求。</p><p>　　9.2校核洪水位試驗(yàn)</p><p>　　對(duì)校核洪水位下泄來(lái)說(shuō)，雖然設(shè)計(jì)規(guī)范【8】不要求消力池設(shè)計(jì)必須滿足校

63、核工況的消能要求，但也必須對(duì)其進(jìn)行必要的驗(yàn)證試驗(yàn)，以了解和掌握消力池的消能流態(tài)特征。從試驗(yàn)的觀察來(lái)看，其消力池消能流態(tài)流態(tài)不理想，沒(méi)有形成完全意義上的底流消能流態(tài)，消力池基本看不到一個(gè)較為穩(wěn)定的躍后水流流態(tài)，但也沒(méi)有出現(xiàn)極端水流現(xiàn)像。</p><p>　　通過(guò)上述兩工況對(duì)消力池流態(tài)的觀察，認(rèn)為消力池降低1.2米的體型完全可以保證溢洪道下泄流量小于設(shè)計(jì)洪水位對(duì)應(yīng)泄流量608.23 m³／s的消能要求，可以

64、作為推薦體型工設(shè)計(jì)采用。</p><p>　　9.3消力池進(jìn)口1:3陡坡試驗(yàn)</p><p>　　泄槽段由緩坡變陡坡連接段最好能采用拋物線連接【8】，以避免水流底面產(chǎn)生負(fù)壓，招致空穴水流。新設(shè)計(jì)方案中，從輸水渠段到消力池進(jìn)口上游的1:3陡坡采用直線連接，水流在1:3陡坡上游存在脫離渠底的現(xiàn)象，在測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)上表明該段壓強(qiáng)分布存在負(fù)壓強(qiáng)。其原因是水流沿輸水渠道向下游流動(dòng)，到達(dá)陡坡時(shí)，渠底突然向下

65、轉(zhuǎn)折，而水流由于慣性作用，尚不能完全和陡坡吻合，故產(chǎn)生脫壁而引起負(fù)壓。對(duì)校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位兩工況來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)測(cè)得陡坡段沿程壓強(qiáng)見(jiàn)表4。</p><p>　　表4 消力池底板降低1.2米方案1:3陡坡各工況沿程壓強(qiáng)匯總表</p><p>　　從上表可以看出，校核工況其負(fù)壓區(qū)范圍約在1:3陡坡起點(diǎn)0＋214.63~0＋219.81區(qū)間范圍內(nèi)，模型實(shí)測(cè)最大負(fù)壓在C1位置為﹣1.73×

66、9.8KPa，設(shè)計(jì)工況負(fù)壓區(qū)范圍要比校核略小，模型實(shí)測(cè)最大負(fù)壓強(qiáng)仍然在C1位置為﹣0.17×9.8KPa。按照水力學(xué)要求，水流沿溢洪道下泄時(shí)，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，因?yàn)楫?dāng)水流經(jīng)過(guò)低壓區(qū)，壓強(qiáng)小于相應(yīng)溫度下的蒸汽壓強(qiáng)時(shí)，水流內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，這種現(xiàn)象在水力學(xué)上稱為空化?？栈a(chǎn)生的氣泡被水流帶到高壓區(qū)時(shí)，由于內(nèi)外壓差使氣泡突然潰滅，氣泡在潰滅過(guò)程中的極短時(shí)間內(nèi)可產(chǎn)生高達(dá)9.81~98.1億Pa的壓強(qiáng)，造成壁面材料的剝蝕和損壞，

67、這種氣泡產(chǎn)生和潰滅導(dǎo)致混凝土表面遭到破壞的現(xiàn)象稱為空蝕【1】。故試驗(yàn)對(duì)該區(qū)段也進(jìn)行體型優(yōu)化，使溢洪道體型更趨合理。</p><p>　　10．修改1:3陡坡試驗(yàn)</p><p>　　參考以往以前完成的模型試驗(yàn)資料，結(jié)合本工程的自身特點(diǎn)，在保持輸水渠道和1:3陡坡位置不變，只對(duì)過(guò)渡段采用拋物線體型將輸水渠道和1:3陡坡段連接起來(lái)，模型試驗(yàn)拋物線采用Y=0.00541566X²方程。

68、</p><p>　　通過(guò)對(duì)該拋物線修改體型的試驗(yàn)觀察，其水流流態(tài)明顯順暢，達(dá)到修改的目的。校核洪水位工況，通過(guò)實(shí)測(cè)拋物線段的沿程壓強(qiáng)分布，也沒(méi)有出現(xiàn)附壓強(qiáng)，證明修改后的體型比修改前的更加合理，滿足工程泄流要求，校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位的沿程壓強(qiáng)實(shí)測(cè)資料見(jiàn)表5。</p><p>　　表5 修改1:3陡連接坡為拋物線的沿程壓強(qiáng)分布表</p><p>　　11．進(jìn)口導(dǎo)墻修

69、改試驗(yàn)</p><p>　　溢洪道進(jìn)水渠進(jìn)口導(dǎo)墻形式以及進(jìn)道水流的流態(tài)是否平順，直接影響溢洪道的泄流能力。因此，溢洪道進(jìn)口導(dǎo)墻應(yīng)根據(jù)不同地形“因地制宜，因勢(shì)利導(dǎo)”。從各種研究資料來(lái)看，導(dǎo)墻采用相應(yīng)的流線圓弧形式，可使水流流態(tài)平順，進(jìn)流均勻，從而有效提高溢洪道泄流能力【10】【11】【12】。在規(guī)范中【8】也提到，當(dāng)進(jìn)口布置在壩肩時(shí)靠壩一側(cè)應(yīng)設(shè)置順應(yīng)水流的曲面導(dǎo)水墻，靠山一側(cè)可開(kāi)挖或襯護(hù)成規(guī)則曲面。在本次溢洪道設(shè)計(jì)

70、方案中，左側(cè)靠壩一側(cè)的進(jìn)口導(dǎo)墻卻采用了直線形式，直導(dǎo)墻的分流作用使得進(jìn)流均勻度較差，在斜墻末端產(chǎn)生了側(cè)向繞流。另外，由于直導(dǎo)墻較短，水流調(diào)整不夠充分，因此該方案過(guò)流能力較差。</p><p>　　為了消除溢洪道左側(cè)進(jìn)口導(dǎo)墻對(duì)進(jìn)口水流的不利影響，改善進(jìn)口導(dǎo)流流態(tài)，提高溢流堰的泄流能力，根據(jù)水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，試驗(yàn)在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上做了必要的修改。修改的思路是在不改動(dòng)右側(cè)導(dǎo)墻體型的情況下尋求比較合適的左側(cè)導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)形式，

71、使得水流在進(jìn)入水渠之后流態(tài)比較穩(wěn)定。由于水流由水庫(kù)堰導(dǎo)流翼墻進(jìn)入溢流堰是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)加速過(guò)程，采用橢圓曲線容易適應(yīng)這種變化。參考恰夫其海等多個(gè)水工模型試驗(yàn)的成功體型，并考慮到本工程的具體情況，對(duì)進(jìn)口左側(cè)采用導(dǎo)流翼墻橢圓曲線方程：（其長(zhǎng)短半軸的比值為1.6），右側(cè)進(jìn)口導(dǎo)墻保持原設(shè)計(jì)體型不變。通過(guò)模型試驗(yàn)，其進(jìn)口流態(tài)明顯得到改善，水流平穩(wěn)順暢。進(jìn)口翼墻修改后，校核洪水位947.80m和設(shè)計(jì)洪水位944.60m下進(jìn)口處的水流流態(tài)明顯改善，可以作為

72、設(shè)計(jì)采用方案。</p><p>　　由于對(duì)溢洪道進(jìn)口導(dǎo)墻進(jìn)行了修改優(yōu)化，使得閘前水流更加順暢，有可能引起泄流量的變化，因此試驗(yàn)對(duì)修改后的溢洪道在三孔全開(kāi)的運(yùn)行狀況下的庫(kù)水位~流量關(guān)系曲線進(jìn)行了重新了率定。通過(guò)測(cè)驗(yàn)，認(rèn)為修改后的體型對(duì)泄流量的影響不大，可以按照原設(shè)計(jì)庫(kù)水位~流量關(guān)系曲線進(jìn)行運(yùn)行和控制。</p><p>　　為了便于工程的調(diào)度運(yùn)行，試驗(yàn)也對(duì)中孔單獨(dú)全開(kāi)的庫(kù)水位~流量關(guān)系作了測(cè)驗(yàn)

73、，同時(shí)也將中孔單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，閘門開(kāi)度按照梯度為1m，分別進(jìn)行了不同開(kāi)度情況的庫(kù)水位~流量關(guān)系曲線率定。</p><p>　　總之，通過(guò)對(duì)進(jìn)口導(dǎo)墻的修改，改善了進(jìn)口水流流態(tài)，實(shí)現(xiàn)了水流平穩(wěn)的進(jìn)入閘室的目的，各個(gè)特征庫(kù)水位~流量值見(jiàn)表6。 </p><p>　　表6 進(jìn)口導(dǎo)墻修改后的庫(kù)水位~流量關(guān)系</p><p>　　表中的流量系數(shù)是按照駝峰堰流量系數(shù)公式【13】進(jìn)行計(jì)

74、算的，即：</p><p>　　式中：m：堰上綜合流量系數(shù)；</p><p><b>　　Q：泄流流量；</b></p><p>　　B：堰面過(guò)水寬度m（本工程三孔全開(kāi)為24米，單孔全開(kāi)為8米）</p><p>　　H：堰上水頭m（本工程堰頂高度為939.0m）</p><p>　　從表中數(shù)據(jù)可以

75、看出，在校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，泄流量滿足工程設(shè)計(jì)的要求，消能防沖水位泄流量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值14.31%，因此工程設(shè)計(jì)滿足各個(gè)工況的泄流量要求。</p><p><b>　　12．摻氣減蝕試驗(yàn)</b></p><p>　　由于臺(tái)階上的水流在不同單寬流量時(shí)，流態(tài)不同。消能機(jī)理也不同，流態(tài)較為復(fù)雜。當(dāng)單寬流量較小時(shí)，水流成舌狀跌落水流，消能形式類似多個(gè)小跌水連續(xù)消能。隨著單

76、寬流量的逐漸加大，舌狀跌落水流向滑移水流轉(zhuǎn)化，而臺(tái)階面在滑移流條件下，水流的能量主要通過(guò)水流在臺(tái)階面上的裂散，摻氣以及主流和底部漩渦之間的紊動(dòng)交換實(shí)現(xiàn)消能【14】。臺(tái)階面上的滑移流按摻氣特征可以分為3個(gè)區(qū)域，即非摻氣區(qū)，摻氣發(fā)展區(qū)，充分摻氣區(qū)。在非摻氣區(qū)和摻氣發(fā)展區(qū)，由于水流沒(méi)有摻氣或摻氣不充分，試驗(yàn)觀察到其水體為透明或半透明狀態(tài)【15】。在高、中水頭的溢洪道設(shè)計(jì)中，經(jīng)常遇到高速水流引起的建筑物的空蝕問(wèn)題。2000年我國(guó)頒布的《溢洪道設(shè)

77、計(jì)規(guī)范》，規(guī)定了六種防止發(fā)生空蝕破壞的措施，其中摻氣防蝕效果最為顯著，且簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，安全可靠。鑒于臺(tái)階面臺(tái)階突出點(diǎn)在高速水流通過(guò)時(shí)，有可能出現(xiàn)負(fù)壓，引起空化空蝕破壞。加上臺(tái)階面上壓強(qiáng)變化梯度大，為了保證其安全的正常運(yùn)行，應(yīng)考慮臺(tái)階面的摻氣減蝕問(wèn)題。</p><p>　　按照原設(shè)計(jì)的要求，通氣孔設(shè)計(jì)在第一個(gè)臺(tái)階的位置。由于在正圓弧末端的斜率（i=1:1.2）緩于臺(tái)階段的坡度（臺(tái)階坡度i=1:0.9），所以該處設(shè)置摻氣

78、孔不需要設(shè)置專門的摻氣調(diào)坎，體型本身就相當(dāng)于設(shè)計(jì)了一個(gè)i=1:0.144的挑坎，具有摻氣的作用，這一點(diǎn)也得到試驗(yàn)的證明。校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位的全開(kāi)工況下，摻氣空腔穩(wěn)定，摻氣充分，各特征工況的摻氣孔通風(fēng)量見(jiàn)表7。</p><p>　　表7 特征運(yùn)行工況的摻氣通風(fēng)量表</p><p><b>　　13．空化數(shù)分析</b></p><p>　　為了

79、研究空化空蝕問(wèn)題，常采用一個(gè)無(wú)量綱數(shù)作為衡量實(shí)際水流是否會(huì)發(fā)生空化的指標(biāo)，叫做空化數(shù)【16】。對(duì)于臺(tái)階面以下流速段較大區(qū)段而言，依然是最容易發(fā)生水流空蝕破壞的位置，因此必須對(duì)其水流的空化數(shù)進(jìn)行分析，給設(shè)計(jì)提供必要的參考依據(jù)。通過(guò)對(duì)推薦的拋物線體型的沿程流速分布和沿程壓強(qiáng)試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)，按照規(guī)范中【8】水流空化數(shù)計(jì)算公式：</p><p><b>　　式中：—水流空化數(shù)</b></p>

80、<p>　　—大氣壓強(qiáng)水柱高，（）</p><p>　　，—斷面的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)水柱高，和實(shí)測(cè)斷面流速</p><p>　　—水的汽化壓強(qiáng)水柱高，在t=20°時(shí)h=0.24米</p><p><b>　　—重力加速度，</b></p><p>　　Z—工程所在位置的海拔高程m，這里采用輸水渠道的平均高

81、程974.5m</p><p>　　進(jìn)行水流的空化數(shù)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表8。</p><p>　　表8 臺(tái)階面以下溢洪道水流空化數(shù)計(jì)算結(jié)果</p><p>　　14．臺(tái)階段消能率計(jì)算</p><p>　　臺(tái)階溢洪道的顯著特點(diǎn)是沿程逐級(jí)摻氣、減速、消能。當(dāng)水流在臺(tái)階上下泄時(shí)，可形成的強(qiáng)烈的橫軸旋滾及水流摻氣來(lái)達(dá)到消能的目的，在眾多的研究資料中階梯溢洪

82、道的消能率都處在50%~80%的范圍內(nèi)【17】【18】【19】【20】【21】【22】。光滑溢洪道水深沿程減小，流速沿程增加，本試驗(yàn)中通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)階梯式溢洪道水流運(yùn)動(dòng)到中部后，水深沿程不再增加，與其他工程結(jié)果一致。在流量不變時(shí)，當(dāng)水深不再增加時(shí)，斷面平均流速也不再增加，因此階梯溢洪道的消能率要比相同條件下的光滑溢洪道的消能率要高。通過(guò)對(duì)已經(jīng)建成的工程統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)階梯溢洪道與光滑溢洪道相比，消能率能夠提高1.5—4倍，消能效果良好【20】【

83、21】【22】。由于階梯面已消除了大部分水流動(dòng)能，因此溢洪道下游消力池的尺寸可大大縮短，甚至根本省去消力池。同時(shí)階梯消能工對(duì)泄流量有一定的適應(yīng)性，不失為一種優(yōu)良的消能方式。</p><p>　　國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者對(duì)臺(tái)階消能做出了深入的研究，并且提出了各自的消能率公式。根據(jù)不同的側(cè)重點(diǎn)，計(jì)算消能率的公式可以分為以下幾類：</p><p>　　根據(jù)絕對(duì)消能率和相對(duì)消能率的概念，可以把臺(tái)階消能率

84、公式分為絕對(duì)消能率和相對(duì)消能率兩類【23】。</p><p>　　絕對(duì)消能率： （1）</p><p>　　式中、分別為壩面上、下游斷面單寬水體總能量。</p><p>　　相對(duì)消能率： （2）</p><p>　　式中：，分別為光滑和階梯溢流壩趾的流速。</p><p>　

85、　根據(jù)臺(tái)階水流形態(tài)，眾多學(xué)者分別從滑行水流，和跌落水流進(jìn)行研究消能率。</p><p>　　加拿大Chamani【24】跌落水流公式：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中： 為能量損失；為上游的總能量；為臨界水深；為階梯高度；為階梯個(gè)數(shù)；為每個(gè)階梯的能量損失比。</p><p>　　澳大

86、利亞的Chanson【25】跌落水流公式：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中為能量損失；為上游的總能量；為臨界水深； 為階梯高度；為上游總水頭。</p><p>　　萬(wàn)德華【26】跌落水流公式：</p><p><b>　　（5）</b></p>&

87、lt;p>　　式中：為能量損失；為上游的總能量；為大壩高度；，其中為流量系數(shù)，其值為0．738~0．64，則值為1．27~1．400。</p><p>　　澳大利亞的Chanson【25】滑行水流公式：</p><p><b>　　（6）</b></p><p>　　為能量損失；為上游的總能量；為臨界水深； 為壩面的傾角；壩高；為摩擦系數(shù)

88、。</p><p>　　M．Takahasicl【27】等人的滑行水流公式：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中為水頭損失，為總水頭，為臨界水深，為垂直于假想底層的凈水深，為階梯的斜坡角度。</p><p>　　田嘉寧等人【28】的滑行水流和跌落水流都適用的公式：</p>

89、<p><b>　　（8）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　式中：為躍前斷面能量損失；為上游斷面總能量；為泄水建筑高；為階梯的斜坡角度。</p><p>　　3、以臺(tái)階斜坡度為主要參數(shù)的消能率計(jì)算公式：</p><p>　　曾東洋【29】公式：<

90、/p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中A、B、C為系數(shù)，P為壩高，為臺(tái)階高度，為臨界水深，，為臺(tái)階水平長(zhǎng)度。</p><p>　　駢迎春【30】公式：</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　式中為單寬流量，、、為公式系數(shù)，為

91、大壩高度。</p><p>　　4、運(yùn)用量綱分析得出的臺(tái)階消能公式：</p><p>　　吳憲生【31】公式：</p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　石教豪【32】等人公式：</p><p><b>　?。?2）</b></p>&l

92、t;p>　　式中為下泄單寬流量；為溢流壩的高度；為壩面坡度，，為壩面臺(tái)階的突出高度。</p><p><b>　　5、其他公式</b></p><p>　　Rajaratnam【33】半經(jīng)驗(yàn)公式：</p><p><b>　?。?3）</b></p><p>　　式中：，分別為階梯和光滑溢流壩

93、趾處的能量；；，分別為階梯和光滑溢流壩面的摩擦系數(shù)；為光滑溢流壩趾的 此公式形式較簡(jiǎn)單，概念也較清楚，但光滑和階梯溢流壩面的摩擦系數(shù)確定較困難。</p><p>　　Stephenson【34】公式：</p><p><b>　?。?4）</b></p><p>　　式中：為上、下游能量差；為以水頭表示的上游總能量；，為能量比降，，分別為單寬流

94、量和水深；，為臨界水深；為無(wú)因次達(dá)西摩擦系數(shù)。</p><p>　　汝樹(shù)勛【35】公式：</p><p><b>　?。?5）</b></p><p>　　式中：為光滑溢流壩趾斷面平均流速；為摻氣水流等效為不摻氣水流的水深后的斷面平均流速。的計(jì)算中考慮摻氣影響是通過(guò)計(jì)算不摻氣的等效水深來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上式的主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算消能率時(shí)考慮了摻氣影響。<

95、;/p><p>　　以上公式各有優(yōu)點(diǎn)，公式（1）用能量守恒原理，是最簡(jiǎn)單、最直觀的公式，也是大多數(shù)學(xué)者最多使用的公式。Rice是用本公式計(jì)算后得出臺(tái)階式溢洪道的消能率比光滑溢洪道的消能率大2~3倍的結(jié)論。蔣曉光和周輝等也通過(guò)這個(gè)方法來(lái)計(jì)算臺(tái)階式溢洪道的消能率；公式（2）相對(duì)消能率是用階梯溢流壩相對(duì)于光滑壩面的消能率，一般用兩者壩趾的動(dòng)能差與光滑溢流壩下游的動(dòng)能相比較。Pegram在此式的基礎(chǔ)提出了相對(duì)能量損失率(ED

96、R)的概念。Houston和才眉君等通過(guò)本公式來(lái)計(jì)算臺(tái)階式溢洪道的相對(duì)能量損失；公式（3）運(yùn)用的關(guān)鍵在于如何求出，如果每個(gè)階梯的值不同，那么此公式就不適用了。與公式（3）相比，公式（4）不需要確定；公式（5）結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，但是需要考慮流量系數(shù)的選取；公式（6）中較難確定的是，它根據(jù)水深來(lái)確定，而階梯溢流壩面上的水深是不易確定的；從公式（3）到公式（8）是研究者根據(jù)臺(tái)階上水流流態(tài)的不同而推導(dǎo)出計(jì)算某一特定流態(tài)條件下的消能率公式，目前應(yīng)用并不

97、是很廣泛。公式（9）和公式（10）雖都以臺(tái)階坡度為主要因素，但公式的結(jié)構(gòu)形式卻相差很遠(yuǎn)。關(guān)于臺(tái)階坡度對(duì)消能率的影響，Rice，Kadavy的研究結(jié)果表明溢洪道坡</p><p>　　本次臺(tái)階消能率計(jì)算采用公式（1）：，式中：；；和分別為上、下游斷面底部相應(yīng)于消力池底部高差，m；和：分別為上、下游斷面的水深，m；和分別為上、下游斷面的平均流速，m/s?！?8】以第一個(gè)臺(tái)階為上游計(jì)算起始斷面，以最后一個(gè)臺(tái)階為下游計(jì)算

98、斷面，按照試驗(yàn)實(shí)際測(cè)驗(yàn)的斷面平均水深，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的斷面平均流速，得到設(shè)計(jì)方案修改前后不同泄流量臺(tái)階面的消能率結(jié)果，如表3。</p><p>　　四川大學(xué)陳群【36~38】通過(guò)數(shù)值模擬與水力模型試驗(yàn)相結(jié)合的辦法對(duì)臺(tái)階式溢洪道進(jìn)行了研究，得到了影響消能率因素的一些結(jié)論：①壩面單寬流量是影響臺(tái)階式溢流壩消能率的一個(gè)較重要因素。當(dāng)單寬流量增大后，壩面的消能率明顯降低；②臺(tái)階溢流壩的消能率隨著壩面坡度的變緩而提高；③臺(tái)階尺

99、寸對(duì)消能率有影響。當(dāng)流量較大時(shí)，消能率隨臺(tái)階尺寸的增大而增大。流量較小時(shí)，臺(tái)階高度為2m時(shí)消能率最小，臺(tái)階尺寸再增大或減小消能率都增大。④過(guò)渡臺(tái)階型式和起始位置對(duì)消能率有一定影響。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)渡較平緩，臺(tái)階高度增量較小的過(guò)渡臺(tái)階的消能率較小，過(guò)渡臺(tái)階增量較大時(shí)，臺(tái)階的消能率較大。文獻(xiàn)13也得出相似的結(jié)論：臺(tái)階高度不變，隨著下泄流量的增加，臺(tái)階面的消能率在逐漸降低，不同臺(tái)階高度在下泄相同流量時(shí)，臺(tái)階越高，其消能率也越大。</p>

100、;<p>　　在本次模型試驗(yàn)中，我們通過(guò)不同流量在臺(tái)階面上的消能率計(jì)算對(duì)比，可以得出，臺(tái)階高度不變，隨著下泄流量的降低，臺(tái)階面的消能率在逐漸升高，但消能率不會(huì)無(wú)限升高，而會(huì)趨近一個(gè)極值，此結(jié)論與上述相關(guān)結(jié)論基本相似。</p><p><b>　　15．推薦方案試驗(yàn)</b></p><p>　　通過(guò)以上對(duì)溢洪道體型的多次優(yōu)化和對(duì)主要水力學(xué)特征值的分析，認(rèn)為

101、修改后的溢洪道體型完全可以滿足泄洪要求，各個(gè)水力學(xué)參數(shù)均在合理范圍之內(nèi)，能保證溢洪道的安全穩(wěn)定運(yùn)行，修改優(yōu)化的體型可以作為模型推薦體型供設(shè)計(jì)采用。為了給設(shè)計(jì)和使用提供必要的依據(jù)，下面就推薦體型的各個(gè)運(yùn)行工況水流特征值進(jìn)行全面的模型測(cè)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考資料。</p><p><b>　　15.1水流流態(tài)</b></p><p>　　當(dāng)溢洪道三孔全開(kāi)，庫(kù)水位位于校核

102、洪水位，947.80m時(shí)，此時(shí)模型實(shí)測(cè)流量為1198.04m³/s，由于推薦進(jìn)口導(dǎo)墻為橢圓曲線，其平面線形更加接近水流運(yùn)動(dòng)軌跡，使得進(jìn)口左導(dǎo)墻對(duì)水流的影響大大改善，模型基本看不出來(lái)進(jìn)口的繞流現(xiàn)象，進(jìn)入閘室的水流平穩(wěn)，過(guò)閘順暢，并且隨著庫(kù)水位的降低，進(jìn)口流態(tài)更加良好。</p><p>　　由于三孔全開(kāi)，水流通過(guò)閘室后，受到閘墩和漸縮體型的共同作用，水流形成固定的這從水流現(xiàn)象，這種折沖水流一直延伸到臺(tái)階上游

103、的正圓弧段，并且強(qiáng)度沿程逐漸減弱。</p><p>　　水流到達(dá)臺(tái)階區(qū)段，首先在摻氣空腔處大量摻氣，摻氣后的水流在模型上表現(xiàn)為乳白色，并且一直保持到消力池處，說(shuō)明摻氣效果良好。校核洪水位摻氣空腔達(dá)到第六個(gè)臺(tái)階，設(shè)計(jì)洪水位和消能防沖水位摻氣空腔均達(dá)到第五個(gè)臺(tái)階處。各個(gè)工況的空腔穩(wěn)定，摻氣順暢。</p><p>　　對(duì)于臺(tái)階下游反弧段，輸水渠段，和拋物線段來(lái)說(shuō)，各個(gè)工況的水流均表現(xiàn)為平順?lè)€(wěn)定的

104、水流流態(tài)，到達(dá)消力池時(shí)，水流沿消力池底部進(jìn)入消力池底部，形成底流消能水流流態(tài)。由于消力池是按照設(shè)計(jì)洪水位的洪水流量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，就必須保證設(shè)計(jì)洪水位的充分消能，流態(tài)良好。但對(duì)校核洪水位來(lái)說(shuō)也就不一定很理想，校核洪水位下的消力池流態(tài)不太理想，但也沒(méi)有出現(xiàn)極端的不利的水流流態(tài)。其他工況的水流流態(tài)較為理想，流量越小，消力池流態(tài)越好，消能越充分。</p><p>　　總之，推薦方案各個(gè)體型的水流流態(tài)較為理想，可以滿

105、足阿拉溝溢洪道的泄流要求。</p><p>　　15.2沿程水面線分布</p><p>　　試驗(yàn)對(duì)推薦方案三孔全開(kāi)不同洪水位工況的沿程水面線進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)，在校核洪水位情況下，沿程平均水面線沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)邊墻高度，說(shuō)明設(shè)計(jì)溢洪道邊墻高度可以滿足要求，但對(duì)消力池來(lái)說(shuō)，在校核洪水位工況下，由于消力池流態(tài)不是特別理想，消力池消能水流波動(dòng)特別強(qiáng)烈，特別是消力池末端，其平均水面高度已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)消力池的邊墻

106、。工程運(yùn)行時(shí)必將出現(xiàn)水流翻越邊墻現(xiàn)象，也會(huì)對(duì)消力池邊墻外有一定的問(wèn)題存在，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮，其他各個(gè)工況消力池邊墻均能滿足要求。</p><p>　　15.3沿程壓強(qiáng)分布</p><p>　　試驗(yàn)對(duì)推薦方案的溢洪道的沿程壓強(qiáng)進(jìn)行了全面的測(cè)驗(yàn)，總體來(lái)說(shuō)，壓強(qiáng)沿程分布合理，出臺(tái)階段局部有負(fù)壓強(qiáng)外，其他區(qū)段均為正壓強(qiáng)，特別是溢洪道正圓弧和拋物線段，均沒(méi)有測(cè)驗(yàn)到負(fù)壓強(qiáng)存在，再次證明推薦體型

107、的合理性。對(duì)于臺(tái)階階段，由于臺(tái)階水流流態(tài)的復(fù)雜性，出現(xiàn)負(fù)壓強(qiáng)也是正?，F(xiàn)象。針對(duì)臺(tái)階的特殊水流情況，同時(shí)也考慮到盡量臺(tái)階負(fù)壓強(qiáng)位置發(fā)生空化破壞，推薦方案采取的摻氣減蝕的措施將對(duì)臺(tái)階防止空化起到重要的作用。</p><p>　　三孔全開(kāi)校核洪水位947.80m下泄最大流量1198.00m³/s，溢洪道最小壓強(qiáng)位于溢流堰堰頂位置，其壓強(qiáng)值為1.47×9.8KPa。</p><p&

108、gt;　　從臺(tái)階段的壓強(qiáng)測(cè)驗(yàn)匯總可以看出，雖然在臺(tái)階上游有負(fù)壓，由于在三孔全開(kāi)時(shí)，在消能防沖水位的工況摻氣空腔已經(jīng)達(dá)到第五個(gè)臺(tái)階，校核洪水位達(dá)到第六個(gè)臺(tái)階，也就是說(shuō)測(cè)壓管編號(hào)從T1到T6均存在摻氣空腔中，故沒(méi)有水流通過(guò)上游前五個(gè)臺(tái)階，不存在發(fā)生孔空蝕破壞的可能。而負(fù)壓強(qiáng)的存在正好為摻氣提供一個(gè)良好的吸氣壓強(qiáng)，使得空氣更好的進(jìn)入空腔，進(jìn)入下泄水流當(dāng)中。對(duì)測(cè)壓管編號(hào)從T7到T14，其測(cè)到的負(fù)壓強(qiáng)均為水流通過(guò)臺(tái)階的水流對(duì)臺(tái)階面的實(shí)際壓強(qiáng)，從資

109、料看，測(cè)驗(yàn)到的最大負(fù)壓強(qiáng)也沒(méi)有超過(guò)﹣0.64×9.8KPa，并且負(fù)壓強(qiáng)出現(xiàn)在豎直臺(tái)階面上。按照壓強(qiáng)分布規(guī)律，在每一個(gè)臺(tái)階豎直面處，壓強(qiáng)分布表現(xiàn)為越向上靠近臺(tái)階頂部，壓強(qiáng)越小。由于模型受體型尺寸的限制，不可能無(wú)限的靠近頂部布置測(cè)壓管，加之臺(tái)階面水流的復(fù)雜性，為了防止萬(wàn)一在臺(tái)階豎向面臺(tái)階頂部出現(xiàn)過(guò)大負(fù)壓強(qiáng)而引起空化破壞，摻氣方案在臺(tái)階進(jìn)口處采用了增加摻氣措施，通過(guò)摻氣減蝕來(lái)避免有可能發(fā)生的空蝕破壞問(wèn)題出現(xiàn)。</p>

110、<p>　　對(duì)下游反弧段，拋物線段，輸水渠道段，消力池段以及出口渠道段，三孔全開(kāi)各個(gè)工況底板壓強(qiáng)沿程分布良好，沒(méi)有異常壓強(qiáng)出現(xiàn)，壓強(qiáng)沿程分布合理。</p><p>　　15.4沿程流速分布</p><p>　　為了了解推薦方案溢洪道沿程的水流流速分布情況，試驗(yàn)就三孔全開(kāi)時(shí)，不同特征洪水位的運(yùn)行的流速進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)，試驗(yàn)采用南京水利科學(xué)研究院研制生產(chǎn)的LGY－Ⅱ型智能流速儀進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，在