中图分类号: TV651．1 文献标识码: A doi: 10．3969 /j．issn．1000-1379．2011．03．050
阶梯式溢洪道施工方便、工期短、节约成本，被越来越多地应用于水利工程。为避免阶梯式溢洪道发生空蚀破坏等问题［1-7］，笔者对阶梯式溢洪道水平面上时均压强进行了试验研究。
1 试验模型
试验模型主要由上游水库、有压进口、无压斜坡调整段、20级阶梯式溢洪道、无压直坡出口段、回水池组成。模型主要由有机玻璃制成，以便能够清楚地观察到阶梯上的水流流态。为使水流平顺过渡，有压进口前端为曲线型，以平顺水流。体型参数及试验工况见表1。
2 水平面上的时均压强特性
以体型1、体型2 在单宽流量为0． 184 m3 /( s·m) 时水平面上的时均压强测试结果为例进行分析，压强分布见图1、图2，x 为测点距离阶梯凹角的距离，L 为水平阶梯的长度( 步长) 。
表1 体型参数和试验工况
图1 体型1 阶梯水平面压强分布
通过对水平面时均压强分布图分析可以看出，阶梯水平面上凸角边缘处压强比较大，接着朝凹角方向压强增加到最大值，然后压强急剧减小，达到水平面上时均压强最小值，最后在阶梯凹角处压强稍微增大。时均压强最小值出现在距离阶梯凹角0． 2 ～ 0． 5 L 处; 阶梯上压强最大值出现在距离阶梯凹角0． 7 ～ 0． 8 L处。原因是，当阶梯式溢洪道上主流底层水流经过阶梯时，受重力作用和阶梯影响，水流方向发生改变，其坡度稍微增大( 相对于阶梯式溢洪道坡度) ，因此该高速水流强烈冲击距离凸角边缘较近的水平面区域，使得该区域时均压强达到最大值; 凸角处受主流的冲击作用以及主流和旋滚水流的剪切作用，该处压强相对减小; 高速水流冲击到水平面以后分为两股，一股为与主流产生剪切作用的旋滚水流，另一股为在阶梯凹角处形成顺时针的旋滚水流，该水流由水平方向转向铅直方向时，其运动方向背离阶梯水平面，必将产生一个压强最小值; 由于次涡的存在，因此阶梯凹角处水平面时均压强有所增大。
整体来看，每个流量下阶梯式溢洪道水平面上最大压强都出现在1#阶梯，最小压强出现在2#或3#阶梯，1#阶梯水平面上的压强变化值最大; 过渡段阶梯面上压强变化较剧烈，压强分布有差异; 掺气均匀段压强趋于平缓，压强分布相似。
图2 体型2 阶梯水平面压强分布
在对以上两种体型的测试中发现，奇数阶梯水平面上压强比对应相邻偶数阶梯水平面上压强大，且奇数阶梯上的阶梯压强具有相似性，偶数阶梯上阶梯压强也具有相似性，即阶梯水平面上压强具有间隔相似性。
通过试验发现，在缓坡、高水头、高流速下阶梯式溢洪道水平面上可能会产生负压，负压大概位于水平面上距离阶梯凹角0. 2 ～ 0． 5 L 处。负压主要存在于过渡段的前面几级阶梯，整个溢洪道阶梯水平面上最大负压位于2#或者3#阶梯上，掺气均匀段阶梯水平面上基本没有负压产生。
通过以上分析可知，在阶梯式溢洪道上，过渡段的水流压强可能存在负压，水平面上负压最大和压强最大的位置发生在2#或者3#阶梯上，因此过渡段的阶梯应在以后研究中予以重视。
3 结语
阶梯式溢洪道水平面上可能产生负压，负压主要存在于过渡段的前面几级阶梯，位于水平面上距离阶梯凹角0． 2 ～ 0． 5 L处; 整个阶梯式溢洪道水平面上最大负压位于2#或3#阶梯上，掺气均匀段阶梯水平面上基本没有负压产生。奇数阶梯上水平面压强具有相似性，偶数阶梯上水平面压强也具有相似性，即阶梯水平面上压强具有间隔相似性。
同一体型不同流量下阶梯水平面上的压强规律: 随着流量的增大，靠近阶梯凸角区域压强增大，距离凹角0． 5 ～ 0． 7 L 处压强值不受流量大小影响，小于距离凹角0． 5 ～ 0． 7 L 的区域随流量的增大压强减小; 靠近凸角区域水平压强受流量影响较大，靠近凹角区域水平面压强受流量影响较小; 流量越大，水平面阶梯上压强最大值越大、最小值越小。
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作者简介:任雨( 1984—) ，男，四川德阳人，硕士研究生，研究方向为水工水力学。
