梁宗祥，尹进步，卢红，郑治，龚红林

与宽尾墩联合使用的台阶面水流压强特性研究

梁宗祥1，尹进步1，卢红2，郑治2，龚红林1

（1．西北农林科技大学，陕西杨凌712100；2．中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵阳550002）

随着RCC筑坝技术的发展，宽尾墩与台阶面联合消能技术已先后在许多工程中得到应用。通过工程原型与模型试验资料的综合分析，对不同体型及使用条件下，与宽尾墩联合使用的台阶内部压强与总体压强分布规律进行了研究。研究结果表明：台阶内部压强分布规律及台阶总体压强分布规律主要与堰面使用的宽尾墩形式有关，台阶坡比对台阶面总体压强影响幅度较小，台阶高度几乎不产生任何影响。

水力学；台阶面水流；模型试验；宽尾墩；压强

伴随着我国水东、大朝山、索风营等电站的建成运行，台阶面与宽尾墩联合消能技术使台阶单宽流量也得到了大幅度提高，从传统的40 m3／（s·m）已经发展到200 m3／（s·m）以上［1］。思林工程通过宽尾墩体型的试验研究，又将台阶单宽流量提高到360 m3／（s·m）以上［2］。台阶过流能力增加同时，关于台阶面水流特性的研究也越来越多，特别是台阶面压强特性的研究资料更多，但比较系统的研究资料多集中在无宽尾墩台阶过流方面，且这种台阶在工程应用中，大单宽过流很少［3］。实际上，台阶大单宽过流能力的迅速提高，又主要得益于台阶与宽尾墩的联合使用，因此，非常有必要对宽尾墩与台阶面联合过流形式的台阶面水流压强特性进行研究。

1 试验模型简介

由于目前工程中，表孔宽尾墩与台阶坝面联合使用时，总水头为100 m左右，台阶面坡比一般多为1∶0．7～1∶0．8，且台阶高度通常是碾压混凝土碾压层厚度的3～4倍，因此我们主要对坡比1∶0．7，1∶0．75和台阶高度0．9，1．2 m不同参数组合构成的台阶面水流特性进行研究，水力条件以索风营和大朝山工程表孔水流为主，并参考了部分大朝山工程原型观测资料，系统的模型试验测试工作主要在索风营工程1∶50表孔断面模型上进行。

从工程应用角度出发，为了能够比较全面地对台阶压强特性进行了解，分析工作从2方面进行，一方面是同一台阶内部不同水流条件下的压强特性分析，另一方面是不同台阶面总体压强分布特性分析。

2 同一台阶内部压强极值点探索

由于与宽尾墩联合使用的台阶面承受宽尾墩水舌的冲击射流作用比较强烈，因此关于台阶内部的压强分析主要围绕台阶水平面极大值与垂直面极小值进行。

目前关于台阶面内部压强分布规律的研究资料比较多，文献［4］认为：台阶水流总体呈现滑移流特征，但台阶内部却呈现顺时针漩滚流态，如果定义台阶宽度为b，台阶高度为h，则顺时针漩滚的水流使台阶水平面压强由内向外首先呈现递减趋势，在距内边缘0．3 b处出现最小压强，在最小值之外又开始逐渐增加，在距内边缘（0．7～0．8）b处出现最大压强，最大压强之后又开始逐渐减小；台阶垂直面从底部到顶部逐渐减小，最小值出现在顶部。文献［5］又认为：台阶水平面最大压强值出现在距内边缘（0．7～0．9）b处。

通过大朝山工程试验与原型观测资料对比分析发现［6］，与Y型宽尾墩联合使用的台阶垂直面压强分布规律与文献［4，5］测试结果一致，最小值出现在顶部，但水平面压强分布规律与文献［4，5］有差别。对工程中2个比较典型的台阶水平面压强值进行统计如表1所示。从表中可以看出，在所分析的资料中，台阶水平面压强由内向外也呈现递增的趋势，但最大压强出现在0．86 b处，且边缘0．80 b～0．86 b之间，压强变化梯度比较大，如果依此趋势分析，则压强极大值有可能出现于台阶面更靠近边缘的位置，在边缘并未出现减小的趋势。这一分析结果表明，与Y型宽尾墩联合使用的台阶内部压强最大值必然出现在靠近边缘的位置。

表1 台阶水平面压强变化分布表Table 1 Variation of pressure intensity on the horizontal plane of a step

图1 台阶内部压强分布Fig．1 Pressure distribution inside each step

在思林工程模型试验研究中［7］，对与X型宽尾墩联合使用的部分台阶面内部压强分布规律又进行了测试，测试结果如图1所示。从图中可以看出，台阶垂直面与文献［4］及大朝山工程资料分析结果一致，最小值出现在0．1 h处（试验中可测的最顶部）。台阶水平面压强分布规律与文献［4］也不同。图中距台阶外边缘0．12b处，压强仍在增加，即台阶水平面压强极大值出现的位置，可能比大朝山工程测试结果更靠近台阶外边缘。该测试结果表明，与X型宽尾墩联合使用的台阶内部压强分布规律与无宽尾墩也不同，但与Y型宽尾墩联合使用的台阶内部压强分布规律却比较接近。

对上述不同形式的台阶面水流流态进行对比发现。大朝山与思林工程资料是通过原型和1∶50，1∶40模型，对与宽尾墩联合使用的台阶面水流进行的测试研究，且研究工况的工程实际单宽过流量均在180～200 m3／（s·m）。而文献［4，5］只是通过一个模型对无宽尾墩台阶面水流进行测试研究，其模型中的台阶高度为5～10 cm，台阶面坡比分别为1∶1．732，1∶0．80，1∶0．58，模型单宽流量为0．05～0．31 m3／（s·m）。如果将这些资料按1∶50的模型进行换算，可发现，其台阶高度最小值为2．5 m，特别是文献［4］的台阶面坡比为1∶0．8，与此处非常接近，而台阶面实际单宽过流量大约只有17～112 m3／（s·m）。

对上述资料的试验条件对比后发现，文献［4，5］所研究的台阶单宽流量，对于其台阶高度而言比较小，因此台阶内部水流漩滚速度应该比大单宽过流时要小一些，且台阶水流基本呈现二元水流特征，无其它干扰现象存在。而与宽尾墩联合使用的台阶面，一方面过流量比较大，水流又并非完整的二元水流流态，台阶内部水流的漩滚受到台阶边缘以外大流量的挤压、干扰，漩滚有破裂现象存在；另一方面宽尾墩形成的冲击射流对台阶边缘角隅的冲击作用更加明显，因此台阶面最大压强值在试验可测试的范围内，更靠近边缘。

对上述分析结果进行总结，可有以下初步结论：对于与宽尾墩联合使用的大单宽过流台阶面而言，台阶水平面极大值一般出现在台阶的外边缘处，与文献［4，5］关于无宽尾墩台阶水平面压强研究规律有一定差别。台阶垂直面极小值一般出现在台阶顶部尖角附近。

3 台阶面总体压强分布

模型试验中，在40～50个台阶的水平面外边缘（0．9 b），以及垂直面顶边缘（0．9 h）布置压强测点，进行不同台阶形式的台阶总体压强试验测试分析。

3．1台阶水平面总体压强分布

图2台阶水平面总体压强分布Fig．2 Pressure distribution of general steps on horizontal

图2 是不同台阶高度、不同台阶坡比及不同宽尾墩时，台阶水平面边缘冲击压强变化规律图。其中台阶高度h分别为0．9，1．2 m，台阶面坡比i分别为1∶0．7，1∶0．75。台阶位置高度是指所测试的台阶距消力池底板的高差，P为台阶面压强实测值，H为所测试验组次的堰上水头，此处H取值基本在19．0～20．5 m之间，对应的单宽流量为180～200 m3／（s·m），下游无任何尾水，台阶面水流均为自由过流形式。

图2（a）与图2（b）的堰面均设置X型宽尾墩，其中图2（a）是台阶面坡比相同，而台阶高度不同时的分布规律，从图中可以看出，两条线的变化规律基本相同，冲击压强沿程增加，最大时与堰上水头基本一致。这一分析结果说明，工程中目前应用的台阶高度对其水平面总体压强分布影响很小；图2（b）是台阶高度相同，但台阶坡比分别为1∶0．7和1∶0．75的压强分布规律，从图中可以看出，在前半部分，压强变化受坡比影响比较小，而在后半部分，压强受坡比的影响开始增加，即坡度陡时，台阶水平面压强沿程增加的幅度小，而坡度比较平缓时，沿程压强增加的幅度比较大，这一变化规律与WES堰面的肥瘦变化比较相似。因此从工程应用的角度而言，台阶面坡度选取时，既要考虑坝面的稳定问题，也要考虑台阶水平面边缘可能承受的水流冲击压强值。

图2（c）是台阶高度为0．9 m、台阶面坡比为1∶0．75，堰面使用X宽尾墩时，不同堰上水头在台阶水平面产生的相对压强分布规律。从图中可以看出，低水头时，相对压强比较大，最大值已超过堰上水头，最大值大约1．2H；而中高水头时，相对压强反而小，在后半部分，虽然有一点变化，但变化很小，从0．6H左右增加到最大值为（0．8～1．0）H。如果进一步对不同水位的量值进行对比，可以看出，基本都在120～160 kPa之间，最大不超过200 kPa。由此可以说明，目前工程中，与X宽尾墩联合使用的台阶水平面承受的水流冲击压强值一般在120～160 kPa之间，最大不超过200 kPa。

图2（d）是台阶高度为0．9 m、台阶面坡比为1∶0．75，堰面使用不同宽尾墩的台阶水平面压强分布规律。从图中可以看出，前半部分，3个压强分布比较一致，水流冲击台阶，都出现一些跳跃现象，但在后半部分，差距逐渐增加，无宽尾墩时，台阶水平面压强沿程分布趋于平稳，无明显的较大波动与跳跃性出现，总压强值基本稳定在1／3堰上水头附近；与X型宽尾墩联合使用时，相对于无宽尾墩水流而言，台阶水平面压强出现一定跳跃性，但跳跃性不是很大，且压强值也有所增加；而与Y型宽尾墩联合使用时，台阶水平面压强跳跃性增加比较明显，沿程基本以锯齿状出现，这一结果与文献［8］试验结果一致。

从3条线的后半部分可以看出，无墩时压强值最小，使用Y型宽尾墩时最大，平均值与堰上水头比较接近，个别点超过1．2H，使用X型宽尾墩时，基本处于二者中间，这一结果与前面台阶内部压强分布比较一致。由于无墩时，台阶内部水流漩滚比较完整，最大压强可能出现在距内边缘（0．7～0．8）b处［4］，而此处测点位于距内边缘0．9b处，已经位于压强的减小段，因此，实测到的压强值要小一些。台阶面与宽尾墩联合使用时，宽尾墩的收缩射流作用使台阶水平面最大压强向边缘移动，相对于Y型宽尾墩的完全收缩而言，X型宽尾墩底部开口的全断面过流为上层纵向射流提供一个动水垫层，使台阶面水流表现出的特征基本处于无墩与Y墩之间，因此其总压强值位于二者之间。

3．2台阶垂直面总体压强分布

图3是台阶垂直面总体压强分布的2个代表性规律图，其中图3（a）是台阶高度为0．9 m、台阶面坡比为1∶0．75、堰面使用X型宽尾墩时，不同堰上水头的台阶垂直面总体压强分布规律。从图中可以看出，虽然堰上水头相差比较大，但台阶垂直面压强很接近，基本都在0～50 kPa之间波动，个别点出现负压，但负压值均不超过-20 kPa。对负压极值出现位置进行观察发现，负压极值出现在台阶前半段。对一般与宽尾墩联合使用的台阶面而言，这一区域基本是台阶面掺气量较大的位置，因此也不会出现空蚀破坏问题。而在后半段，负压最大不超过-5 kPa。由此可以说明，与宽尾墩联合使用的台阶面大单宽过流基本无空蚀破坏问题。

图3 台阶垂直面总体压强分布Fig．3 Pressure distribution of general steps on vertical

再对不同台阶高度、不同台阶坡比的台阶垂直面总体压强分布规律进行测试研究后发现，无论台阶高度变化为1．2 m、还是台阶坡比变换为1∶0．7，台阶垂直面总体压强分布规律与图3（a）基本相同，差别很小。由此可以说明，与X型宽尾墩联合使用的台阶垂直面最小压强基本都在0～50 kPa之间波动，个别点有负压出现，但负压值均不超过-20 kPa。

图3（b）是台阶高度为0．9 m、台阶面坡比为1∶0．75、堰面分别使用X，Y型宽尾墩时，台阶垂直面总体压强分布规律，从图中可以看出，压强值都在零压附近振荡，但使用X墩时，基本为正压，个别点出现负压，而使用Y墩时，少部分为正压，大部分为负压。前面台阶水平面总体压强分布规律中已经指出，使用Y墩时，水流冲击作用比较大，台阶内部水流漩滚作用强烈，所以水平面承受的冲击压就比较大，同时其垂直面承受的负压也就比较大。另外从图3（b）中还可以看出，无论X墩、还是Y墩，台阶垂直面最小压强均不超过-20 kPa，因此水流出现空化可能性也应很小，这也正是宽尾墩与台阶面联合使用，台阶面可以通过大单宽流量的主要原因之一。

4 结语

系列模型试验资料与原型资料统计分析结果表明：与宽尾墩联合使用的台阶内部压强分布规律与无宽尾墩的台阶面内部压强分布规律不同，台阶水平面极大值一般出现在台阶的外边缘处，垂直面极小值一般出现在顶面附近。台阶水平面总体压强分布规律与堰面使用的宽尾墩形式有关，使用Y墩时呈现比较明显的锯齿状分布，无墩时比较平缓，使用X墩时压强分布处于二者之间；台阶面坡比对台阶水平面冲击压强有一定影响，台阶高度无影响，且最大冲击压强值与堰上水头比较接近。台阶垂直面最小压强基本在-20～50 kPa之间变化，变化范围与堰面使用宽尾墩形式有关，受台阶高度、坡比影响很小。使用Y墩时，垂直面总体压强值比X墩小，但最小值也不超过-20 kPa，因此水流出现空蚀破坏的可能性很小。

［1］艾克明．台阶式泄槽溢洪道的应用状况浅析［C］∥尹洪昌．泄水工程与高速水流．长春：吉林科学技术出版社，2000：1-9．

［2］尹进步，梁宗祥，龚红林．X宽尾墩应用与发展的试验研究［J］．水力发电学报，2007，（4）：36-39．

［3］陈群，戴光清，刘浩吾．阶梯式溢流坝研究综述［J］．水利水电科技进展，2002，（1）：47-50．

［4］曾东洋，张志昌，刘亚菲，等．台阶式溢洪道滑行水流时均压强特性研究［J］．陕西水力发电，2001，（4）：11-14．

［5］张志昌，曾东洋，郑阿漫，等．台阶式溢洪道滑行水流压强特性的试验研究研究［J］．水动力学研究与进展，2003，18（5）：652-659．

［6］尹进步．大朝山水电站表孔减压水力模型试验报告［R］．陕西杨凌：水利部西北水利科学研究所实验中心，2004．

［7］尹进步．乌江思林水电站水工水力学模型试验报告［R］．陕西杨凌：水利部西北水利科学研究所实验中心，2005．

［8］林可冀，韩立，邓毅国，等．大朝山水电站泄水建筑物初期运行情况［J］．水利水电勘测设计，2003，（1）：1-14．

（编辑：易兴华）

Skimming Flow Pressure Characteristics on Joint Energy Dissipation of Stepped Dam-face&Flaring Gate Piers

LIANG Zong-xiang1，YIN Jin-bu1，ZHENG Zhi2，LU Hong2，GONG Hong-lin1
（1．Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forest，Yangling Chian 712100，China；2．Guiyang Hydropower Investigation Design&Research Institute，CHECC）

With the development of RCC technology，the joint energy dissipation of flaring gate pier and stepped dam-face has been applied in a lot of hydraulic engineerings．On the basis of the information of experimental test and prototype observation，the paper sums up the law on flow pressure on each step&general steps．As a result，the pressure distributions of each step and entire steps is mainly related to the type of flaring gate pier，the influence of the skimming slope on general pressure is rather small，without any effect with step height．

hydraulics；skimming flow；hydraulic model test；flaring gate pier；pressure

TV131．4

A

1001-5485（2009）03-0017-04

2008-11-25

中国水电顾问集团科研课题（CHC-KJ-2004-05-01）

梁宗祥（1964-），男，陕西宝鸡人，高级工程师，主要从事水工水力学研究工作，（电话）13772180505（电子信箱）liangzx＠nwsuaf．edu．cn。