階梯溢流壩面坡度對一體化消能工水力特性的影響

邱 毅,吳歐俁,楊具瑞,任中成,陳衛星

(昆明理工大學現代農業工程學院,云南 昆明 650500)

在大型水利工程中泄水建筑物有舉足輕重的地位。根據有關工程資料統計,其造價占到土建工程總量的30%～40%[1]。其中階梯溢流壩因其低水頭、小單寬流量下具有消能率高的特點,從20世紀起就被普遍應用[2]。階梯溢流壩的一個顯著特點是沿壩坡逐級摻氣,并在臺階上形成翻滾,其消能效果與溢流壩坡度密切相關[3-4]。陳群等[5]通過紊流數值模擬方法對1∶0.7、1∶0.75、1∶0.8、1∶1 4種坡度在壩高50 m和單寬流量q=50 m3/(s·m)進行模擬,得出階梯溢流壩的消能率隨壩坡的變緩而近似線性增大。張峰等[6]通過引入純臺階消能率的概念研究得出:在3種坡度(32°、38.7°、55°)下,單寬流量q=35.7 m3/(s·m)時,坡度對純臺階消能率影響較大,坡度由55°減小至32°,消能率最大增加了10.4%。這些研究[7-12]表明,小單寬流量條件下的消能率隨著階梯壩面坡度變緩而增大。但對于大單寬流量條件下,只有楊吉健等[13]在26.57°、32.01°、33.69°、38.66°和51.3° 5種坡度,單寬流量為0.129～0.378 m3/(s·m)時,得到不同結論,認為同一單寬流量下,坡度增加,消能率反而增大。

隨著水利工程高壩建設尤其是我國西南地區一批世界級的高壩的建設[14],單純的靠階梯溢流壩消能泄洪已不再適用,在宣泄大流量時,溢流水舌覆蓋,使階梯壩面難以通氣,產生壩面空化空蝕及水舌不穩定[15]。如水布埡階梯式溢洪道,其最大單寬流量181 m3/(s·m),通過實驗測得階梯立面最大負壓達到7.65 m[16]。為了解決高水頭、大單寬流量的泄洪問題,我國提出寬尾墩+階梯溢流壩+消力池……