侧向收缩阶梯溢洪道三维掺气水流水力特性研究

Stepped spillways have been widely used in water conservancy and hydropower projects due to their simple structure, rapid construction, high energy dissipation, low risks of cavitation and atomization. Some of these stepped spillways are expected to converge in order to improve their discharge capacity and adapt to narrow valley terrain. Training wall convergence induces shock waves, and therefore flow over converging stepped spillways exhibits three-dimensional and aerated characteristics. Because converging stepped spillways are nontypical and create flow complexities, limited literature is available to aid in understanding of their hydraulics, which is considered to have theoretical and practical value in safely and effectively discharging flood under conditions of high water head, large discharge and narrow valley. The present project conducts systematical and deep research on the three-dimensional aerated flow hydraulics in converging stepped spillways by theoretical analysis and physical experiment. The main contents include: classification and transition condition of flow regimes, characteristics of energy dissipation and aeration, characteristics and influences of shock waves. The objectives of the project are to bring insight into the three-dimensional aerated flow hydraulics in converging stepped spillways, and to provide theoretical and technical support for design and construction of converging stepped spillways.

阶梯溢洪道结构简单、消能率高、空蚀风险低和泄洪雾化弱，在水电工程中得到广泛和良好应用。侧向收缩阶梯溢洪道采用边墙与水流方向呈夹角的布置形式，使过流宽度沿程缩小，是提高泄流能力同时适应狭窄河谷“V型”地形条件的良好选择。侧向收缩阶梯溢洪道中，水体受连续阶梯和侧向收缩边墙共同作用形成三维掺气水流，并在表面产生连续冲击波，流动特征复杂。本项目拟采用理论分析和物理模型试验，针对上述三维掺气水流的水力特性开展深入研究，这对于“高水头、大泄量、窄河谷”条件下的泄洪消能问题具有重要的理论意义和良好的实用价值。本项目的研究内容包括：流态分类和流态转变水力条件，消能和掺气特性，冲击波特征和影响。本项目的研究目标为：制定流态分类标准并提出流态预测方法，获得流态良好、消能率高和掺气充分的侧向收缩阶梯溢洪道水力和结构要素，为高坝大型水电工程安全高效泄洪消能提供理论基础和技术支持。

阶梯溢洪道结构简单、消能率高、空蚀风险低，在水电工程中得到广泛应用。收缩阶梯溢洪道在此基础上采用收缩边墙，使过流宽度沿程减小以适应狭窄河谷地形条件。其水体受连续阶梯和侧向收缩边墙共同作用形成三维掺气水流，并在表面产生冲击波。深入研究上述三维掺气水流的流态和各项水力特性，对设计安全、高效的收缩阶梯溢洪道具有实用价值，还能够完善水利工程多相流的理论体系。.本项目以试验方法为主，研究了收缩阶梯溢洪道的基本流态及临界条件、消能和掺气特性、冲击波特征和影响范围。研究进展如下：.（1）阶梯溢洪道的主要流态包括跌落、过渡和滑行。提出了具有明确水力学表达的过渡流态判定条件，建立了过渡流态上下界限的理论表达式。得出过渡流态在30°底坡上难以发生，因此工程中采用30°底坡可有效降低过渡流态相关的结构振动和水花飞溅等风险。.（2）收缩阶梯溢洪道的流量沿程增大，除了跌落、过渡和滑行流态，还存在三种流态共存的复合流态。当产生复合流态时，流量和收缩角增大均促使过渡、滑行流态的发生位置提前。建立了各流态临界条件的表达式，阐明了发生复合流态时各流态所在的阶梯范围。.（3）收缩阶梯溢洪道的水深、流量、机械能沿宽度分布不均匀，最大和最小水深之比、流量之比和机械能之比分别可达1.5、3、2.6以上。高流速区集中在收缩边墙侧，流量增大和收缩角减小分别导致高流速区范围在水平和垂直方向扩大。.（4）建立了掺气发生位置曲线的表达式，包括收缩边墙附近的弧线段和远离边墙的直线段，越靠近收缩边墙，掺气发生位置越靠近下游。断面掺气浓度分布表明在收缩边墙侧存在低掺气区。收缩边墙附近水体的低掺气和高流速导致边墙存在空蚀风险。该成果为评估边墙的空蚀风险、设计额外掺气装置提供依据。.（5）得到冲击波高度、宽度的表达式，阐明冲击波内掺气浓度分布。揭示了收缩边墙对阶梯水流的表层、主流区、漩滚区具有不同影响，对应的影响范围依次增大，建立了各影响范围的表达式。