寬尾墩在溢流壩面上的合理位置

摘 要：從消能效果的角度選擇一系列合理的收縮比和收縮角，找出不同始擴點、不同收縮比的寬尾墩在不同溢流水頭時流量系數的變化情況，在不影響過流量的前提下，得出不同收縮比所對應的最佳始擴點位置，為寬尾墩的體型設計提供參考。綜合分析溢流堰的堰面動水壓力、水面曲線隨堰上實際溢流水頭、寬尾墩始擴點的變化而變化的情形，找出WES曲線型實用堰的瘦身依據。關鍵詞：寬尾墩；收縮比；流量系數；動水壓力；水面曲線

中圖分類號：TV64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2007）08-0198-03

1 寬尾墩水工模型試驗裝置及試驗組次

1.1 實驗裝置

實驗在寬15厘米，高75厘米的平底玻璃槽中進行，溢流堰采用標準WES曲線型實用堰，溢流堰寬B0=15cm，設計堰上水頭 ，堰上游曲線采用三圓弧段，下游曲線段采用y=(x/20)*1.85，下游斜坡段采用0.7的斜坡。由于 ，為高堰。在沖坑后的下游渠中設置一三角形薄壁堰，用測針測出三角形薄壁堰的堰上水頭H△，利用計算出整個明渠中的過流量；同時在溢流堰上游（3～4）溢流堰堰上水頭處設置一測針，測出實際堰

1.2 實驗分組介紹

本實驗選用了收縮比為0.4、收縮比為0.533共6種體型的寬尾墩，平尾墩及各種寬尾墩的參數如表1：平尾墩的體型如圖1，各種寬尾墩的體型如圖2；

寬尾墩為T-15-8-A，T：表示閘墩；15表示寬尾墩起點寬度：8表示寬尾墩出口寬度，A表示始擴點的位置是否相同。

2 研究內容及方法

2.1 研究內容

(1)改變堰上溢流水頭，測出平尾墩在不同堰上溢流水頭的流量系數，下游堰面動水壓力，水面曲線。

(2)改變堰上溢流水頭，分別測出以上6種寬尾墩在不同溢流水頭時的流量系數，下游堰面動水壓力，水面曲線。

2.2 研究方法

研究方法主要是水工模型實驗，數值分析時采用了大量的圖、表，分析過程中大多數物理量用無量綱的量來表示。如(m、H/Hd、ε)及始擴點位置參數(Y/Hd)等。

3 實驗成果與分析

3.1 流量系數分析及結論

通過實測數據得出平尾墩及不同寬尾墩的流量系數與堰上溢流水頭之間的關系曲線如圖3。

2 對流量關系曲線的分析

（1）對于寬尾墩T-15-8-A、T-15-6-A，在H/Hd≤1.0時，過流量與平尾墩的過流量相同，在H/Hd≥1.0時，過流量均小于相同溢流水頭下平尾墩的過流量，且過流量隨著水頭的增加而減小；H/Hd=1.35時，平尾墩的流量系數m=0.5015（從擬和方程求得）;寬尾墩T-15-8-A的流量系數m=0.4934，則其最大減幅=（0.5015-0.4934）/0.5015=0.0162=1.62%（較小，可忽略）。寬尾墩T-15-6-A的流量系數m=0.4737，則其最大減幅=（0.5015-0.4737）/0.5015=0.0554=5.54%。因此以不影響過流量為前提，寬尾墩T-15-6-A的水頭范圍為H/H

（4）當始括點較靠前時，兩種收縮比的流量系數在較小水頭時就已受到影響，其原因是堰頂與始擴點的高差較小。隨著始括點后移，Y/Hd增加，當始擴點始擴點相同時，收縮比大的寬尾墩時在較高水頭過流量才受到影響。

通常Hd=(0.75～0.95)Hmax，則Hmax=（1.01～1.33）Hd；Hmax為堰上最大溢流水頭。取堰上實際溢流水頭H=1.35Hd，若此時寬尾墩的過流量剛好與平尾墩過流量相同，則對應的始擴點為最佳始擴點。

相同始擴點不同收縮比的寬尾墩過流量不受影響的水頭使用范圍。欲使H=1.35Hd時，寬尾墩的過流量與相同條件下的平尾墩的過流量相同，最佳始擴點Y/Hd=0.5時對應的ε=0.53；Y/Hd=0.3309時，ε=1.08（由于為寬尾墩ε＜1，此點去掉）。Y/Hd=0.1387時，ε=7.2（由于為寬尾墩ε＜1，此點去掉。以上三點由擬合方程求得）；由Y/Hd=0.3309及Y/Hd=0.5內插求出最佳始擴點Y/Hd=0.4155時對應的ε=0.8062。由以上分析可得出下表：

3.3 動水壓力和水面曲線分析及結論

對于平尾墩而言，溢流壩面下游曲線段的動水壓力隨水頭的增加有所減小，最大水頭時，下游曲線段呈現負壓。斜坡段的動水壓力隨著上游水頭的增加而有所增加，段末最大。

加設寬尾墩后，溢流壩面下游曲線段的壓力均增加，遠大于相同水位下寬尾墩對應點的壓力值。而下游斜坡段的壓力明顯降低，從水面曲線可看出溢流水舌已脫離堰面。

從溢流堰下游曲線前段的壓力大為增加這一點，我們可得到啟示：在曲線型實用堰剖面形狀的確定中，堰頂下游的曲線形狀是關鍵，常根據矩形薄壁堰自由溢流時水舌下緣面的形狀設計。若設計水頭下，水舌下緣與堰頂曲線間有一定空間，水舌下緣脫離堰頂，脫離部分的空氣不斷被水流帶走，壓強降低，堰面出現負壓，形成所謂真空剖面。真空剖面堰由于壓能減小，動能增大，過堰流量也相應增大，但因堰面壓強較小，易發生氣蝕破壞，而且堰面可能受到正負壓力交替作用，造成水流不穩，所以真空剖面堰很少用。若設計水頭下水舌下緣與堰頂曲線完全吻合，堰面不會出現負壓，又不會頂托下泄水流，有較大的過流能力，是理想的堰型。但在實際施工過程中，對這一段曲線的施工質量未達到要求；同時在實際運用中，由于堰上實際溢流水頭的變化和堰面粗糙產生摩阻力的影響，堰面上很容易產生負壓。為了防止堰面上產生較大的負壓，同時又使堰具有較大的過流能力，堰的剖面設計常使堰面曲線稍稍伸入薄壁堰溢流水舌下緣面以內，形成非真空剖面實用堰。但是，使用寬尾墩以后，在實際堰上溢流水頭等于設計水頭時，下游曲線段的動水壓力明顯增加。因此，仍在下游采用WES曲線型適用堰，堰的設計水頭可以采用比平尾墩設計水頭小一些的值，從而使堰的形狀變瘦，節約工程量及工程投資。那么，不同的收縮比，不同的始擴點位置，對應的設計水頭減小值應為多少呢？有待于進一步實驗研究。

參考文獻

［1］安康水電站泄水建筑物的水力學原型觀測［J］.水力發電，1994，(1).

［2］巖灘水電站寬尾墩新型消能工的試驗研究［J］.紅水河，15，(2).

［3］五強溪水電站的樞紐布置及三大建筑物的設計特點［J］.水力發電，1994，(11).

［4］倪漢根.寬尾墩-消力池的簡化計算方法［J］.水利學報，1998，(6).

［5］李中樞，潘艷華，韓連超等.寬尾墩聯合消能工體型選擇及水利特性研究［J］.水科學展，2000，(3).

［6］蘇超，李上游.寬尾墩聯合消能工體型選擇及水力特性研究［J］.水科學進展，2000，(3).

［7］謝省宗，李世琴.寬尾墩聯合消能工在百色水利樞紐中的研究和應用.

［8］《水力學》成都科技大學水力學教研室編［M］.北京：人民教育出版社，1979.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>