台阶式溢流坝消力池水力特性试验研究

论文摘要

为了探索施工简便、消能率高的台阶式溢流坝消力池的设计,本文提出了用台阶段与消力池的直接连接取代反弧段连接的设计,并通过模型试验对其水力特性进行了研究。试验模型根据重力相似准则设计。主要研究了流量范围在0.022m~3/s.m～0.220m~3/s.m之间、不同溢流坝坡度(40°、50°和60°)、不同台阶尺寸(4cm,8cm,16cm)、不同水跃形式(远驱、临界、淹没)时台阶式溢流坝消力池的水跃特点、消能率、压强特性。通过试验及对数据分析发现:在无反弧连接的消力池内,流经台阶坝面的水流会直接冲击消力池底板,并形成反弹水流。反弹水流会增强水跃区域水流的紊动。消力池内临界水跃长度较普通光面溢洪道大幅缩短,并且淹没度为1.10的淹没水跃长度比临界水跃长度更短。对于反弹水流和临界水跃长度可用本文提出的经验公式进行计算。台阶段和消力池段无反弧连接可使消力池水跃消能率提高至60%以上,使临界水跃跃后断面平均流速消减到跃前断面平均流速的10%左右。整个台阶段和消力池段整体消能率在80%以上,虽然随流量增加消能率略有降低,但仍表现出良好的消能效果。消力池底板的压强的特点主要体现为:在水流冲击区域时均压强、脉动强度、瞬时压强均达到最大值;在水跃中、前区域,时均压强和紊动强度有波动,出现时均压强最小值,在发生远驱水跃时有较小的负压值;在水跃后区,水深沿程增加,时均压强、脉动强度波动减小,并趋于均值。本文提出的消力池沿程压强分布的经验公式、峰值压强的分布规律及消力池内优势频率段,可供设计台阶式溢洪道消力池参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 引言
• 1.1 台阶式溢流坝发展概况
• 1.2 台阶式溢流坝的研究成果及现状
• 1.2.1 台阶段的水流形态
• 1.2.2 台阶式溢流坝的消能
• 1.2.3 流速分布
• 1.2.4 对台阶式溢流坝消力池段的研究
• 1.3 台阶式溢流坝比较关注的几个问题
• 1.4 课题研究的主要目的及内容
• 2 试验设计
• 2.1 研究手段
• 2.2 试验模型设计
• 2.3 数据采集设备
• 2.4 试验水力设计
• 3 台阶式溢流坝消力池内的水跃
• 3.1 无反弧段连接消力池的水跃特点
• 3.2 消力池内的临界水跃
• 3.3 消力池内的远驱水跃
• 3.4 消力池内的淹没水跃
• 3.5 本章小结
• 4 消力池消能率计算
• 4.1 计算理论及公式推导
• 4.2 试验数据及数据处理
• 4.2.1 基本数据计算及整理
• 4.2.2 消力池消能计算
• 4.3 水跃消能率与跃前断面佛氏数的关系
• 4.4 本章小结
• 5 消力池压强特性
• 5.1 消力池底板时均压强特性
• 5.1.1 不同水跃产生的压强差异
• 5.1.2 远驱水跃压强变化
• 5.1.3 临界水跃压强变化
• 5.1.4 淹没水跃压强变化
• 5.1.5 影响时均压强变化的因素
• 5.2 消力池底板峰值压强分布
• 5.3 消力池的脉动压强
• 5.3.1 各态历经平稳随机过程
• 5.3.2 脉动压强的起因
• 5.3.3 脉动压强波形的沿程变化
• 5.3.4 脉动强度
• 5.3.5 脉动压强自功率谱
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 存在的问题及今后研究的方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 一、攻读硕士学位期间发表的论文
• 二、攻读硕士学位期间参加的主要科研项目