侧缩结构对阶梯泄水道水力特性的影响研究

杨 涛

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200080）

阶梯消能工以其特殊的结构形式， 显著的消能效果，良好的掺气效果和减少泄洪雾化的特性，被广泛运用于各种水利水电工程中［1-2］。 依据结构形式，阶梯消能工主要分为两大类： 传统型阶梯消能工和新型阶梯消能工， 其中新型阶梯又分为组合式阶梯和变形式阶梯［1］。 新型阶梯消能工，是基于传统型阶梯， 局部增设辅助结构， 或对阶梯自身结构进行变化，以提高阶梯消能工的消能效果、掺气效果，以及减少空化空蚀发生的风险，例如尾坎式阶梯［3］、反坡式阶梯［4］、分流板式阶梯［5］、全断面阶梯消能工［6］、非均匀“一”字式阶梯［7］、水跃式阶梯［8］、V形阶梯［9］等。

相比于光滑的溢洪道， 阶梯溢洪道的消能效果更好，整体消能率可达80%左右［10］。 阶梯溢洪道消能效果的主要影响因素包括：单宽流量大小，水流流态型式，阶梯底坡坡度，阶梯跌落高度，泄水道宽度，阶梯数量等。当阶梯泄水道结构尺寸一定时，增大来流流量会降低消能率，造成出流余能增大；在一定来流流量情况下，增加阶梯数量、增大阶梯跌落高度或者减少泄水道底坡坡度均能提高其消能效果［11］。Chinnarasri和Wongwises［4］研究发现，相同阶梯尺寸条件下，对比传统型阶梯、反坡式阶梯和尾坎式阶梯，尾坎式阶梯泄水道消能效果最佳。 Gonzalez 和Chanson［5］研究发现，将分流板纵向布置于坡度为22°的阶梯上， 可有效地改变水流的紊动强度。 与此同时，通过调节分流板的数量，可有效控制水流紊动强度，增强滑移主流和漩涡间的质量、动能及能量的相互转换。 2009年，张建民等［6］提出了全断面阶梯消能工形式， 即沿着阶梯泄水道两侧边壁增设阶梯消能工。水流在逐级跌落过程中，受边壁阶梯消能工的作用，横向上不断收缩和扩张，加强了水流碰撞，促进了水气掺混，提高了消能效果，过水断面掺气效果良好，可有效减少空化空蚀的风险。

本文在阶梯泄水道的基础上， 提出在不同位置的阶梯断面增设侧缩结构的方式， 利用物理模型试验的方法，研究阶梯泄水道的水力特性。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

本文设计的阶梯泄水道试验装置主要由以下几部分组成：水泵电机、进水管道、矩形水箱、阶梯泄水道主体模型、U形尾水渠道、 直角三角形薄壁堰和矩形薄壁堰、量水堰、地下回流系统等。 阶梯泄水道主体模型主要包括3部分：水平进口段、阶梯消能段和出口明渠段， 主要采用有机玻璃材料制作， 材料透明，便于观察水流流态和测量相关水力参数，如图1。

图1 实验装置示意图

阶梯泄水道采用无压进口，模型长约8.00 m，高1.58m （其中阶梯总跌落高度为1.08m）。 水平进口段长0.80m，进口断面尺寸为0.15m×0.50m（宽×高）。 阶梯消能段共11级阶梯组成，阶梯沿程均匀布置，阶梯尺寸始终保持不变，单级阶梯长度a=0.45m，阶梯高度为b=0.09m， 底坡坡度为i=1∶5， 泄水道宽度w=0.15m。 出口明渠段长度为2.25m，出口断面尺寸与入口断面一致。U形尾水渠道宽度为1.00m，针对不同的来流流量， 尾水渠道出口处设置了直角三角形薄壁堰（用于小流量情况）和矩形薄壁堰（用于大流量情况），堰高均为0.40m。

1.2 实验方法

本文共设计了3个实验方案，如表1。 方案M21为传统型阶梯泄水道，M22为突缩式窄缝阶梯泄水道，M23为渐缩式窄缝阶梯泄水道，其中M22和M23均在第三、九和十一级阶梯尾部（典型阶梯）对称布置侧缩结构。

表1 实验方案

侧缩结构宽度均为2.5cm，厚度0.8cm，与泄水道等高，为50.0cm，典型阶梯尾部出口宽度为10.0cm，其中渐缩结构迎水斜面坡度为1∶1.5。通过方案对比，研究阶梯泄水道的水力特性， 以及不同型式的侧缩结构对其水力特性的影响。

图2 侧缩结构示意图

时均动水压强利用测压管测量。基于流态观察，选择第九级阶梯作为竖直方向压力分布的研究对象，在侧缩结构迎水面中线布置竖向测压点，研究不同型式侧缩结构迎水面的时均动水压强分布情况。

对于阶梯泄水道水力特性研究，结果分析时，来流流量统一采用无量纲参数， 相对临界水深hc/b表示，其中临界水深：

式中 qw为单宽流量 （m2/s），qw=Q/w2，w2为阶梯泄水道宽度（m）；g为重力加速度（m/s2）。

2 结果与讨论

2.1 水流流态描述

2.1.1 传统型阶梯泄水道（方案M21）

随着工作水头的增大，阶梯泄水道中依次呈现3种典型水流流态：跌落水流、过渡水流和滑行水流。小流量情况下（即水流呈跌落流态时），泄水道阶梯面尾部区域出现一定水位壅高，但未出现水跃现象。

2.1.2 突缩式窄缝阶梯泄水道（方案M22）

小流量情况下（hc/b2=0.45），典型阶梯上的水流呈跌落水流和水跃的组合流态。 水流在流经典型阶梯尾部断面时，一方面，由于突缩结构的阻碍，表层水流回转，形成水翅，水翅与来流碰撞、掺混强烈，降低了水流流速；另一方面，突缩结构使得过流断面束窄，导致阶梯尾部水深增大，水流流速降低，水流由急流变为缓流，形成淹没水跃。第三级阶梯处的突缩结构使得其后跌落水舌厚度明显增加， 且水舌内缘三角区中的回水深度增大， 起到了很好的预掺气效果。 水流能量消散主要通过跌落水舌冲击阶梯水平面，及典型阶梯尾部水跃区掺混。

大流量情况下（hc/b2=1.51），典型阶梯上的水流呈滑行射流和水跃的组合流态。 表层水流以急流的方式向前流动，在典型阶梯的出口断面，因突缩结构的阻碍，水流回旋，水面壅高，形成淹没水跃。水舌内外缘明显拉开，并逐渐形成挑流流态，水舌外缘挑距达1～2个台阶水平面长度， 并冲击滑行水流表面，增强了水气掺混，消能效果显著。

图3 方案M22水流流态示意图

2.1.3 渐缩式窄缝阶梯泄水道（方案M23）

小流量情况下（hc/b2=0.43），典型阶梯上的渐缩结构使水流在收缩段汇聚、碰撞，水流很不稳定，竖直方向上激起断断续续的水股。水流能量消散主要通过跌落水舌冲击阶梯水平面，以及水股间相互碰撞、掺混。

随着流量继续增大（hc/b2=1.56），典型阶梯尾部水舌流速较大，受惯性作用水舌纵向展开，呈扩散型流态。水舌滑出渐缩结构后，在重力和空气阻力的共同作用下，其外缘发生强烈的紊动，掺气充分，且横向扩散比较明显，水舌顶部宽度明显增大。第十一级阶梯上，水流呈跌落水流和水跃的组合流态，水体基本呈乳白色，掺混效果显著。

图4 方案M23水流流态示意图

从流态的特性角度，相比于传统阶梯泄水道的3种典型流态，增设侧缩结构的阶梯泄水道，能够形成跌落和淹没水跃的组合流态，在两者的共同作用下，具有较好的掺气效果和消能效果。

2.2 消能特性

图5是方案M21-M23消能率η和相对临界水深hc/b的变化关系图。 由图可知，侧缩结构能够较好地改善阶梯泄水道的消能效果，尤其是大流量情况下，消能率增幅明显，如当相对临界水深hc/b2=3.0时，η2比η1提升近13.8%，η3比η1提升近14.9%。 总体而言，对于阶梯泄水道，增设侧缩结构对提高其消能效果具有积极意义。

图5 消能率η和相对临界水深hc/b的关系

2.3 时均动水压强（M22和M23）

如图6， 纵坐标是无量纲时均动水压强P2=p/b2，横坐标Y3=y3/c2，Y4=y4/c2。 p是测点的测压管压力水头；阶梯跌落高度b2=0.09m；y3（y4）是测点从阶梯底板上表面起点，沿突缩结构（渐缩结构）迎水面中线竖直方向的位置（m）；阶梯泄水道边壁的高度c2=0.5m。

图6 侧缩结构迎水面时均压强分布曲线

由图6可知，相同来流条件下，同一级阶梯位置，且距底板相同高度的测点处， 渐缩结构迎水面时均动水压强比突缩结构的小，说明相比于突缩结构，水流作用在渐缩结构迎水面上的冲击力更小， 排泄更为流畅。

3 结语

研究发现， 在设置突缩结构的阶梯面上可形成跌落流动和水跃的组合流态； 在设置渐缩结构的阶梯面上可形成扩散型流态， 以及跌落流动和水跃的组合流态。这些特殊的流态形式，加强了泄水道中的水气掺混， 有效地提高了阶梯泄水道的掺气效果和消能效果，减小了水流的总能量，降低了流动速度及阶梯泄水道发生空化空蚀的风险。相比于突缩结构，渐缩结构迎水面时均动水压强更低， 即水流对渐缩结构迎水面的冲击力更小，水流排泄更流畅。 因此，增设渐缩结构可作为提高阶梯泄水道掺气效果和消能效果的一项有效措施。