《排水灌溉试验》结课论文题目：Y型宽尾墩阶梯消能与空化模拟综述现代农业工程学院农业水土工程后小霞2012214023摘要Y型宽尾墩与阶梯溢流坝联合使用的坝面泄流形式是我国科技工作者提出的新型水工设施，回顾对阶梯溢流坝的研究成果，提出目前研究尚未解决的一些问题，如提高大单宽流量时的消能率问题，与有效避免水流空化等，指出改变宽尾墩尺寸和阶梯尺寸，和上游水位对阶梯掺气和空化的影响的数值模拟，是今后的一个研究方向，对研究阶梯空蚀破坏有一定意义。关键词：Y型宽尾墩；阶梯溢流坝；消能率；水流空化；数值模拟随着水利水电工程建设的迅速发展，高坝泄洪建筑物由于高水头和大单宽流量等引起的高速水流问题日益突出。掺气问题和空化空蚀问题一直是高速水流研究的重点，在泄洪建筑上设置掺气减蚀设施，使高速水流掺气，是减轻和避免发生空蚀破坏的一种有效措施。因此，研究掺气坎的水力特性，尤其是掺气水流特性对泄洪建筑物的安全稳定问题具有非常重要的工程实际意义。由于泄洪流量大，流速大，过流建筑物常发生空蚀破坏现象，尤其是反弧段及下游底板和侧墙例子较多，如国内已建的刘家峡右岸泄洪洞破坏长度达211m，二滩1号泄洪洞反弧段下游侧墙空蚀破坏、盐锅峡泄水孔的隔墩被空蚀打穿（约280m3）等；国外已建的美国波尔德坝（BoulderDam）东岸泄洪洞反弧段末端出现了一个空蚀深坑（最长35m,最宽9.2m，最深13.7m，破坏总体积达1120m3）、美国德沃歇克坝三个泄水孔均发生不同程度的空蚀破坏、法国的SerrePoncon泄水底孔出现冲坑体积达360m3等。因此泄洪建筑物的防空蚀空化问题显得尤其重要，这类问题在水利工程设计中需要高度重视并采取相应的、有效的工程保护措施。宽尾墩消能工是我国学者林炳南院士等在20世纪70年代首创的一种收缩式的消能工，已成功地应用于安康、五强溪、岩滩、隔河岩等许多大型水利水电工程中，取得了显著的技术效果和经济效益[1]。宽尾墩常与阶梯溢流坝或挑流坎等结合形成新型消能工，其原理主要使原来平顺的水流在纵向上拉开，增加水流与空气的接触面，从而达到消能目的[2]。这种新型的水工设施可以有效提高最大过流能力的同时,避免空化空蚀破坏,更加充分有效地利用山区水资源,因此它必将得到广泛应用[3]。所谓宽尾墩就是在平尾墩的基础上将闸墩的尾部加宽，使其闸室出口缩小变窄，从而使得过坝面水流横向收缩，在消力池中形成剧烈掺气的的三元水跃，大大地提高了消能率，同时减少了消力池的长度，大大的节约了工程量。阶梯式溢流坝就是在溢流坝面上从胸墙附近一直到坝趾处设置一系列阶梯，它是利用坝面阶梯上水流所形成的横向旋滚以及与主流之间的相互剪切和动量交换从而达到消能的目的。同时坝面上的水流掺气，也增强了消能的效果。由于模型试验与原型相比，有一定的比尺效应，不一定在各方面都能很好地反映原型的特性，所以有必要进行更多的原型观测工作。目前，数值模拟和计算技术迅速发展，模型试验相对于数值模拟来说又颇显昂贵，数值模拟技术具有操作简便，容易改变各种参数和成本低等优点，在水工建筑物体型优化研究中应用日益增多，所以数值模拟研究越来越受到人们的青睐。但是，对于阶梯式溢流坝来说，存在几个较难解决的问题[4]：=1\*GB3①存在不规则的曲线自由水面；=2\*GB3②边界条件由于有阶梯的存在，下游可能还会有反弧段而变得较复杂；=3\*GB3③由于水流掺气，溢流面的水流是具有一定掺气浓度的两相流，而水气两相流的机理及其动力方程的研究都还不十分成熟。由于上述困难的存在，这方面的数值模拟研究很少，但它将是一个发展趋势。1研究现状1.1掺气减蚀研究目前国内外都已非常重视防空蚀问题的研究，常用的防空蚀空化措施主要有以下几种[5]：(1)对过流建筑物防蚀体型选择最优方案。如泄洪洞进口曲线体型设计，闸门槽体型设计和溢流坝渥奇面曲线设计等；(2)采用抗空蚀性能较好的材料，如局部钢板衬砌、钢纤维混凝土、环氧砂浆饰面等；(3)严格控制过流建筑物施工表面及不平整度，如控制局部突体（钢筋头）和控制施工放线误差等；(4)采用掺气减蚀技术，如在过流表面上设置掺气坎或槽，在底部或侧墙人工强迫掺气等。其中，掺气减蚀技术是目前防蚀效果较好且经济成本较低的一项新技术，现在已被广泛利用于实际工程中。国外应用比较早，在泄洪建筑物上最早应用掺气减蚀技术的实例是美国于1960年在泄洪孔锥形管出口下游设置了掺气槽。国外采用该项技术的典型实例有美国饿马坝马蹄形洞、美国佛来明峡圆形洞、西班牙阿尔特阿达维拉圆形洞、前苏联努列克城门洞隧洞等。国内首次应用此项技术是在20世纪70年代的冯家峡工程溢洪洞，国内典型实例有小浪底水电站底孔板洞、紫坪铺工程泄洪排沙隧洞、漫湾水电站泄洪洞和三峡水