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1、宽尾墩在溢流坝面上的合理位置阮小蓉(四川省水利职业技术学院 ,四川 都江堰 611830)摘 要 :从消能效果的角度选择一系列合理的收缩比和收缩角 ,找出不同始扩点 、不同收缩比的宽尾墩在不同溢流水头时流量系数的变化情况 ,在不影响过流量的前提下 ,得出不同收缩比所对应的最佳始扩点位置 ,为宽尾墩的体型设计提 供参考 。综合分析溢流堰的堰面动水压力 、水面曲线随堰上实际溢流水头 、宽尾墩始扩点的变化而变化的情形 ,找出 W ES曲线型实用堰的瘦身依据 。关键词 :宽尾墩 ;收缩比 ;流量系数 ;动水压力 ;水面曲线中图分类号 : TV64文献标识码 : A文章编号 :167223198 (20
2、07) 0820198203上游 (34) 溢流堰堰上水头处设置一测针 , 测出实际堰上1宽尾墩水工模型试验装置及试验组次1 . 1 实验装置实验在宽 15 厘米 ,高 75 厘米的平底玻璃槽中进行 ,溢流堰采用标准 W ES 曲线型实用堰 ,溢流堰宽 B0 = 15cm ,设 计堰上水头 H d = 20cm ,堰上游曲线采用三圆弧段 ,下游曲线段采用 y = ( x/ 20) 3 1 . 85 , 下游斜坡段采用 0 . 7 的斜坡 。由于 P/ H d 1 . 33 ,为高堰 。在冲坑后的下游渠中设置一三1 . 4 H2 . 5 Q溢流水头 H ,由 m = 计算出在相应= 3 322
3、g H2BB2 g H水头下的溢流堰流量系数 。1 . 2 实验分组介绍本实验选用了收缩比为 0 . 4 、收缩比为 0 . 533 共 6 种体 型的宽尾墩 ,平尾墩及各种宽尾墩的参数如表 1 : 平尾墩的 体型如图 1 ,各种宽尾墩的体型如图 2 ;角形薄壁堰 ,用测针测出三角形薄壁堰的堰上水头H ,利用 Q = 1 . 4 H5/ 2 计算出整个明渠中的过流量 ; 同时在溢流堰把撕下的部分做成装片 。用显微镜观察 , 这样也能够较清楚地看到叶内变蓝的部分是叶绿体 。在遮盖一部分叶片时 ,由于软木较厚较重 ,使用不太 方便 ,可以用锡箔 (即包香烟的锡纸) 或其他不透光纸 。(6) 疑难问
4、题分析 :叶绿体是光合作用制造有机物的场所 , 而叶绿素是叶 绿体中所含的一种色素 。正常情况下 , 由于叶绿素的存在 使得植物叶片呈现绿色 。叶绿素的形成需要光的作用和较 高的温度条件 。假若植物长期生长在暗处 , 颜色总是淡黄色的 。韭黄的生产就是一个典型的实例 , 处于低温条件下的植物同样也不能形成叶绿素 , 所以深秋里的叶子会由绿 变黄 。(7) 思考与训练 :问答题 :把变成蓝色的叶片部分做成装片在显微镜下观察 , 发现染成蓝色的部分 ,只是叶肉中的 () 部分 ,从而说明淀粉是在 () 里形成的 。B :验证绿色植物在光下制造淀粉 ,其过程包括 :实验时摘下一片部分遮光的叶片 ,除
5、去遮盖物 ,放在装有酒精的小烧杯中 , 隔水加热 , 使叶绿素溶解在酒精里 ;在实验前一天晚上 ,用不透明的黑纸 ,把选择好的一片叶 的一部分 ,从上下两面遮盖起来 : 在实验的前三天 , 把天 竺葵或其它绿色植物放在黑暗的地方 ; 第二天 ,在强光下照射 23 h 后 ,即可进行实验 ; 当叶片变成白色时 , 取出叶片 ,放在玻 璃 片 上 , 用 清 水 冲 洗 ; 然 后 滴 上 几 滴 碘 酒 。这时候可以看到没有遮光的部分变成蓝色 , 遮光部分不变色 。这个实验过程的正确顺序是 () 。A . C. B . D . A . 为什么供实验用的植物要放在暗室 12 h?B . 同在阳光下
6、照射都未被遮盖的具有白色斑点的叶 ,为什么原来绿色部分会变蓝 ,而白色斑点部分不变蓝呢 ?实验题 : A . 填空题 :绿色植物在光下制造淀粉的实验 : 把经过遮光处理的实验结果证明 , 绿色植物在光下能够制造淀粉 。为了检验学生对本节实验教学内容的理解和掌握的程度 , 我结 合本节实验教学的重难点 , 给学生设计和提出思考与训练的问题 ,让学生总结要点和注意事项 ,并师生一起讨论分析疑难问题 ,收到了良好的教学效果 。表 1平尾墩 、宽尾墩参数表名称表示B 0 (cm)b(cm)L (cm)xX/ H dYY/ H d平尾墩T - 15 - 15T - 15 - 8 - A T - 15 -
7、 8 - B T - 15 - 8 - C T - 15 - 6 - A T - 15 - 6 - B151515151515158886610 . 5330 . 5330 . 5330 . 40 . 434142414142414 . 038 . 3014 . 031617 . 8210 . 6220100 . 8201010 . 56 . 617810 . 5102 . 7740 . 3309102 . 7740 . 50 . 1387宽尾墩0 . 50 . 1387 T - 15 - 6 - C 15 6 0 . 4 14 17 . 8216 0 . 8 6 . 6178 0 . 330
8、9 说明 : B0 宽尾墩进口宽度b 宽尾墩出口宽度闸孔收缩比= b/ B0L 宽尾墩长度宽尾墩尾端折角= arct g ( B0 - b) / 2 LX 宽尾墩在堰面曲线上始扩点的横坐标Y 宽尾墩在堰面曲线上始扩点的纵坐标H d 溢流堰堰上设计水头图 2 各种宽尾墩体型图 (单位 :cm)图 1 平尾墩体型图 (单位 :cm)宽尾墩为 T - 15 - 8 - A , T : 表示闸墩 ; 15 表示宽尾墩 起点宽度 :8 表示宽尾墩出口宽度 , A 表示始扩点的位置是 否相同 。2研究内容及方法2 . 1 研究内容(1) 改变堰上溢流水头 ,测出平尾墩在不同堰上溢流水 头的流量系数 ,下游
9、堰面动水压力 ,水面曲线 。(2) 改变堰上溢流水头 ,分别测出以上 6 种宽尾墩在不 同溢流水头时的流量系数 ,下游堰面动水压力 ,水面曲线 。2 . 2 研究方法研究方法主要是水工模型实验 , 数值分析时采用了大 量的图 、表 ,分 析 过 程 中 大 多 数 物理 量 用 无 量 纲 的 量 来 表示 。如 ( m 、H/ Hd 、) 及始扩点位置参数 ( Y/ Hd ) 等 。3实验成果与分析3 . 1 流量系数分析及结论通过实测数据得出平尾墩及不同宽尾墩的流量系数与 堰上溢流水头之间的关系曲线如图 3 。2 对流量关系曲线的分析(1) 对于宽尾墩 T - 15 - 8 - A 、T
10、- 15 - 6 - A ,在 H/ Hd1 . 0 时 , 过流量与平尾墩 的过流量相同 , 在 H/ Hd 1 . 0时 ,过流量均小于相同溢流水头下平尾墩的过流量 ,且过流量随着水头的增加而减小 ; H/ Hd = 1 . 35 时 ,平尾墩的流量图 3 平尾墩 、各种宽尾墩的流量系数随 H/ Hd 变化关系曲线系数 m = 0 . 5015 (从拟和方程求得) ; 宽尾墩 T - 15 - 8 - A的流 量 系 数 m = 0 . 4934 , 则 其 最 大 减 幅 = ( 0 . 5015 -0 . 4934) / 0 . 5015 = 0 . 0162 = 1 . 62 % (
11、较小 ,可忽略) 。宽尾墩T - 15 - 6 - A 的 流 量 系 数 m = 0 . 4737 , 则 其 最 大 减 幅 = (0 . 5015 - 0 . 4737) / 0 . 5015 = 0 . 0554 = 5 . 54 % 。因此以不影 响过流量为前提 ,宽尾墩 T - 15 - 6 - A 的水头范围为 H/Hd 1. 0 ,宽尾墩 T - 15 - 8 - A 的水头范围为 H/ Hd 1. 35 。(2) 宽尾墩 T - 15 - 8 - C 、T - 15 - 6 - C ,从图 3 可看出 : H/ Hd 0 . 75 时 ,宽尾墩 T - 15 - 8 - C
12、与平尾墩的流量 系数相差较小 ,可认为几乎不影响其过流量 ; H/ Hd 0 . 75时 ,宽尾墩 T - 15 - 8 - C 的流量系数随水头的增加有所减 199小 ;在 H/ Hd = 1 . 35 时 ,其流量系数 m = 0 . 4656 , 流量系数的最大减幅 7 . 16 % 。H/ Hd 0 . 59 时 ,宽尾墩 T - 15 - 6 -C 与平尾墩的流量系数相差较小 , H/ Hd 0 . 59 时 ,宽尾墩T - 15 - 6 - C 的流量系数随水头的增加有所减小 , H/ Hd =1 . 35 时 ,其流量系数 m = 0 . 4568 ,流量系数的最大减幅 。因 此
13、以不影响过流量为前提 ,宽尾墩 T - 15 - 6 - C 的水头范围为 H/ Hd 0 . 59 ,宽尾墩 T - 15 - 8 - C 的水头范围为 H/ Hd 0 . 75 。(3) 宽尾墩 T - 15 - 8 - B 、T - 15 - 6 - B , 从图 3 可看出 : H/ Hd 0 . 65 时 ,宽尾墩 T - 15 - 8 - B 与平尾墩的流量 系数相差较小 ,可认为几乎不影响其过流量 ; H/ Hd 0 . 65时 ,宽尾墩 T - 15 - 8 - B 的流量系数随水头的增加有所减小 ;在 H/ Hd = 1 . 35 时 ,其流量系数 m = 0 . 4669
14、, 流量系数 的最大减幅 6 . 90 % 。H/ Hd 0 . 60 时 ,宽尾墩 T - 15 - 6 -B 与平尾墩的流量系数相差较小 , H/ Hd 0 . 60 时 ,宽尾墩T - 15 - 6 - B 的流量系数随水头的增加有所减小 , H/ Hd =1 . 35 时 ,其流量系数 m = 0 . 4684 , 流量系数的最大减幅 6 .6 % 。因此以不影响过流量为前提 ,宽尾墩 T - 15 - 6 - B 的水头范围为 H/ Hd 0 . 60 ,宽尾墩 T - 15 - 8 - B 的水头范 围为 H/ Hd 0 . 65 。(4) 当始括点较靠前时 ,两种收缩比的流量系数
15、在较小水头时就已受到影响 ,其原因是堰顶与始扩点的高差较小 。 随着始括点后移 , Y/ Hd 增加 ,当始扩点始扩点相同时 ,收缩 比大的宽尾墩时在较高水头过流量才受到影响 。通常 Hd = (0 . 750 . 95) H max ,则 H ma x = ( 1 . 011 .33) Hd ; H ma x 为堰上最大溢流水头 。取堰上实际溢流水头 H = 1 . 35 Hd ,若此时宽尾墩的过流量刚好与平尾墩过流量 相同 ,则对应的始扩点为最佳始扩点 。= 0 . 53 对应的最佳始扩点 Y/ Hd = 0 . 5 (直接从曲线上查得) ,= 0. 4 对应的最佳始扩点 Y/ Hd =
16、0. 62 (曲线延长后查图 2 宽尾墩的收缩比与最佳始扩点关系曲线大于相同水位下宽尾墩对应点的压力值 。而下游斜坡段的 压力明显降低 , 从水面曲线可看出溢流水舌已脱离堰面 。从溢流堰下游曲线前段的压力大为增加这一点 , 我们可得到启示 :在曲线型实用堰剖面形状的确定中 ,堰顶下游 的曲线形状是关键 ,常根据矩形薄壁堰自由溢流时水舌下 缘面的形状设计 。若设计水头下 , 水舌下缘与堰顶曲线间 有一定空间 ,水舌下缘脱离堰顶 ,脱离部分的空气不断被水流带走 ,压强降低 ,堰面出现负压 ,形成所谓真空剖面 。真 空剖面堰由于压能减小 , 动能增大 , 过堰流量也相应增大 , 但因堰面压强较小 ,
17、易发生气蚀破坏 ,而且堰面可能受到正负压力交替作用 , 造成水流不稳 , 所以真空剖面堰很少用 。若设计水头下水舌下缘与堰顶曲线完全吻合 , 堰面不会出现负压 ,又不会顶托下泄水流 , 有较大的过流能力 , 是理想 的堰型 。但在实际施工过程中 , 对这一段曲线的施工质量 未达到要求 ;同时在实际运用中 ,由于堰上实际溢流水头的 变化和堰面粗糙产生摩阻力的影响 , 堰面上很容易产生负压 。为了防止堰面上产生较大的负压 , 同时又使堰具有较 大的过流能力 ,堰的剖面设计常使堰面曲线稍稍伸入薄壁 堰溢流水舌下缘面以内 ,形成非真空剖面实用堰 。但是 ,使 用宽尾墩以后 ,在实际堰上溢流水头等于设计
18、水头时 ,下游曲线段的动水压力明显增加 。因此 ,仍在下游采用 W ES 曲 线型适用堰 ,堰的设计水头可以采用比平尾墩设计水头小得) ,= 0. 465 对应的最佳始扩点 Y/ Hd = 0. 56 (由内插求得) 。相同始扩点不同收缩比的宽尾墩过流量不受影响的水头使用范围 。欲使 H = 1 . 35 Hd 时 ,宽尾墩的过流量与相同条件下的平尾墩的过流量相同 ,最佳始扩点 Y/ Hd = 0 . 5 时 对应的= 0 . 53 ; Y/ Hd = 0 . 3309 时 , = 1 . 08 ( 由于为宽尾墩 1 ,此点去掉) 。Y/ Hd = 0 . 1387 时 , = 7 . 2 (
19、 由于为宽尾 墩 1 ,此点去掉 。以上三点由拟合方程求得) ; 由 Y/ Hd =0 . 3309 及 Y/ Hd = 0 . 5 内插求出最佳始扩点 Y/ Hd = 0 . 4155时对应的= 0 . 8062 。由以上分析可得出下表 :一些的值 ,从而使堰的形状变瘦 , 节约工程量及工程投资 。那么 ,不同的收缩比 , 不同的始扩点位置 , 对应的设计水头减小值应为多少呢 ? 有待于进一步实验研究 。参考文献 1 安康水电站泄水建筑物的水力学原型观测 J . 水力发电 , 1994 , ( 1) . 2 岩滩水电站宽尾墩新型消能工的试验研究J . 红水河 ,15 , ( 2) . 3 五
20、强溪水电站的枢纽布置及三大建筑物的设计特点 J . 水力发 电 ,1994 , ( 11) . 4 倪汉根. 宽尾墩 - 消力池的简化计算方法 J . 水利学报 , 1998 ,( 6) . 5 李中枢 ,潘艳华 ,韩连超等. 宽尾墩联合消能工体型选择及水利特 性研究 J . 水科学展 ,2000 , ( 3) . 6 苏超 ,李上游. 宽尾墩联合消能工体型选择及水力特性研究 J .水科学进展 ,2000 , ( 3) . 7 谢省宗 ,李世琴. 宽尾墩联合消能工在百色水利枢纽中的研究和表 2收缩比与对应的最佳始扩点表名称第一点第二点第三点第四点最佳始扩点 位置 Y/ Hd0 . 530 . 40 . 4650 . 80620 . 50 . 620 . 560 . 4155根据上表 ,可绘出以下曲线 :图 4 可得出每一种收缩比对应的最佳始扩点位置 。为 宽尾墩的设计提供依据 。需要说明的是 : 以上曲线仅实用于 0 1 的宽尾墩情形 。同时此公式对相同收缩比而不同的进 、出口宽度对始扩点的影响并未考虑 。3 . 3 动水压力和水面曲线分析及结论
