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        臺階式溢洪道純臺階消能率分析

        2017-10-19 19:11:18葛宇
        水能經(jīng)濟(jì) 2017年8期
        關(guān)鍵詞:影響因素

        葛宇

        【摘要】伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國越加重視各項工程的建設(shè),水利工程是我國重點建設(shè)的工程之一。為適應(yīng)社會的現(xiàn)代化、科技化發(fā)展,各種工程技術(shù)被不斷更新完善,作為水利工程中的泄洪消能的重要建設(shè)工程,也逐漸由過去的光滑的溢洪道轉(zhuǎn)變?yōu)榱巳缃竦呐_階式溢洪道,臺階式溢洪道具有較強(qiáng)的消能力,施工方便等特點。

        【關(guān)鍵詞】臺階;溢洪道;消能率;影響因素

        前言:

        臺階式溢洪道主要是指將常規(guī)溢洪道的光滑的溢洪面改為一系列的臺階進(jìn)而使得水流形態(tài)變化,提高消能率的一種方式[2]。與常規(guī)型的光滑溢洪道相比,臺階式溢洪道具有施工方便、效能率高等優(yōu)勢,尤其是中小單寬流量下消能優(yōu)勢更加明顯,適用于我國多數(shù)水利工程中。臺階式溢洪道的消能率一致是國內(nèi)外水利工程研究的重點,各國研究者對其研究頗多且取得了一定的成績,值得一提的是,各國學(xué)者所研究的成果中均不可避免的采用了消能率這一概念,由此可見,效能率的重要性。

        1、實際案例分析

        某水庫位于某市的大河上游位置,地理位置在東經(jīng)119°29′、北緯41°04′,此水利工程的建設(shè)主要以防洪、灌溉為主,并配備有中型可發(fā)電水庫。此水庫在建設(shè)期間采用的是光滑式溢洪道,a型駝峰堰,堰高1m,堰頂高程405m,泄流凈寬為74.5m,最大泄流量為1820m3/s,總長為103m,堰前水位為409m,堰后陡槽底坡為1:3.5,后接挑流鼻坎以及下游尾水渠[2]。目前,由于時間的沖刷,溢洪道導(dǎo)流墻已變形破壞,已無法滿足抗傾覆性等的各項要求。相應(yīng)技術(shù)人員已擬定了加裝階梯式溢洪道,以此增加泄流量。

        臺階式溢洪道的水流狀態(tài)

        在臺階式溢洪道中,共有兩種水流狀態(tài),分別為滑行水流和跌落水流[1],不同流態(tài)的形成和臺階的形狀、尺寸、以及臺階的深度息息相關(guān),當(dāng)臺階式溢洪道的流量、坡度增加時,水流將由跌落式水流狀態(tài)向滑行式水流狀態(tài)轉(zhuǎn)變。本文主要介紹了滑行水流時純臺階消能率與坡度、單寬流量、高度之間的關(guān)系。

        在其他影響因素相同的情況下,對光滑溢洪道模型進(jìn)行加裝臺階,采用連續(xù)性方程、動量方程能量方程等求解臺階模型的流速與水深。在計算中,相應(yīng)人員將模型末端作為基準(zhǔn),進(jìn)出口的總能量為E0,光滑溢洪道計算斷面的總能量為Egi,臺階式溢洪道計算斷面的總能量為Ei,則

        光滑溢洪道的能量損失為: Egi = E0 - Egi

        光華消能率為: 0=Egi /E0×100%

        臺階式溢洪道的能量損失為: Ei = E0 - Ei

        純臺階消能率為: ?=Ei -Egi /E0×100%

        實驗分析

        為全面了解純臺階消能率,本文分別在30°、40°、54°三種坡度進(jìn)行臺階式溢洪道模擬實驗,分析其不同的單寬流量q、臺階高度a、坡度θ、流程長度L下的純臺階消能率的變化規(guī)律,考慮水流紊動的強(qiáng)烈,本文在每斷面間取6組數(shù)據(jù)平均值。實驗所得數(shù)據(jù)如表1:

        臺階式溢洪道效能率的影響因素

        4.1、臺階高度的影響

        為了研究臺階高度對溢洪道消能率的影響規(guī)律,實驗人員在臺階坡度均為38°,單寬流量統(tǒng)一為21.2㎡/s時,通過臺階高度的不同試驗了臺階消能率的影響,實驗人員選取的臺階高度分別為0.5m、1m、2m三種高度,在實驗中,三種高度下泄的水流為滑行水流,實驗人員通過實驗現(xiàn)象的觀察與上述公式的計算,得出了三種高度消能率的數(shù)據(jù),為更好將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,研究員將所得數(shù)據(jù)繪制成圖表,如圖1所示。由圖可知,純臺階消能率與滑行水流流程長度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,根據(jù)最小二乘法擬和結(jié)果,兩者間的相關(guān)系數(shù)大于0.9,可見滑行水流時臺階高度對消能率幾乎毫無影響。

        4.2、臺階坡度的影響

        研究員得出臺階高度與消能率幾乎毫無影響的結(jié)果后,開始研究臺階坡度與消能率間的關(guān)系,通過計算可知,當(dāng)a=0.6m,q=35.6㎡/s時,溢洪道在落差同為h的情況下,選取了坡度分別為30°、40°、54°進(jìn)行消能率的計算,最終得出,當(dāng)臺階坡度越小時,純臺階消能率越大,由此可見,在修建臺階式溢洪道時,可適當(dāng)?shù)臏p小溢洪道的坡度來增加消能率,使其更有效的發(fā)揮臺階式溢洪道消能作用。

        4.3、單寬流量的影響

        研究員了解到臺階坡度的變化對臺階消能率的影響較大后,開始對單寬流量與臺階消能率的影響規(guī)律進(jìn)行研究,研究員將臺階溢洪道的坡度定義為38°,臺階高度為1m,對不同的單寬流量下的消能率進(jìn)行研究,當(dāng)臺階高度流程長度相同的情況下,當(dāng)單寬流量逐漸增大時,臺階式溢洪道的純臺階消能率在逐漸減小,表明臺階溢洪道的消能率與單寬流量間的關(guān)系。

        總結(jié)語

        本文主要以臺階式溢洪道為主要研究對象,通過將臺階式溢洪道與光滑式溢洪道進(jìn)行對比研究,得出了臺階式溢洪道消能率的計算公式,并通過對臺階式溢洪道的高度、坡度、以及流量等與純臺階消能率關(guān)系的實驗與計算,得知臺階高度、坡度、流量的變化對臺階消能率的影響。綜上所述,純臺階消能率具有規(guī)律良好、方便實用的優(yōu)點,其對我國水利工程的發(fā)展具有重要意義。

        參考文獻(xiàn):

        [1]董冰霜. 臺階式溢洪道純臺階消能率變化規(guī)律研究[J]. 中國水能及電氣化, 2015(12):70-72.

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