【摘 要】
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台阶式建筑物凭借其能够有效消耗上游水流的能量,并且具有缩短工期,工程经济成本较低的优点,在工程中广泛应用。随着水利工程建设的发展,河道的堤坝建设不再限制于传统的直线结构形式,更多趋向于滨水区的景观化、功能化的设计,因此河道中堰坝的设计会以艺术层面的独特结构来衬托生态环境,使自然环境与堰坝融为一体。本文通过改变台阶堰的结构形式,提出以曲线“S”型台阶堰为例的艺术堰。在河道建设中,曲线“S”型台阶堰的
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台阶式建筑物凭借其能够有效消耗上游水流的能量,并且具有缩短工期,工程经济成本较低的优点,在工程中广泛应用。随着水利工程建设的发展,河道的堤坝建设不再限制于传统的直线结构形式,更多趋向于滨水区的景观化、功能化的设计,因此河道中堰坝的设计会以艺术层面的独特结构来衬托生态环境,使自然环境与堰坝融为一体。本文通过改变台阶堰的结构形式,提出以曲线“S”型台阶堰为例的艺术堰。在河道建设中,曲线“S”型台阶堰的设计不仅要满足景观化的要求,还需要解决拦截水流、防洪排涝、引水灌溉等水利问题,而其在实际工程建设较少,因此对曲线“S”型台阶堰的水力特性研究能丰富艺术堰的水流运动理论,为相关的实际工程设计提供理论支撑。本文以曲线“S”型台阶堰为研究对象,结合理论分析、物理模型试验及数值模拟三种方法对其水力特性进行研究。首先通过理论分析了解台阶消能原理及消能率影响因素,然后通过水工物理模型试验,对曲线“S”型台阶堰的水力特性进行试验,测量了不同堰上水头H0下,堰上水流流态、水面线、压强和流速分布。同时,利用Flow-3D软件,采用RNG k-ε湍流模型对不同台阶级数的曲线“S”型台阶堰进行三维数值模拟计算,得到了其水力特性的变化规律,本文主要的研究成果如下:（1）在较小堰上水头时,曲线“S”型台阶堰上为跌落水流,随着堰上水头的增加,堰上的水流流态由跌落水流转变过渡水流。对比不同台阶级数n的曲线“S”型台阶堰上水流流态发现,当堰高、坡度一定时,在堰上水头H0为3.0cm时,改变台阶级数,即改变台阶尺寸,堰上水流流态也会发生变化。堰上整体水面线是随着堰上水头的增加而升高;水流下跌受到每级台阶面的顶托作用,水面线在台阶的凸角处都会有小幅度波动。对比曲线“S”型台阶堰凹弧段级凸弧段台阶的水面线发现,凹弧段台阶水面高程值大于凸弧段台阶水面高程值。（2）堰上台阶流速矢量分为堰上主流和台阶隅角漩涡两部分,其中堰上主流的流速均呈直线分布,而台阶隅角水流呈顺时针漩涡分布。水流从堰顶跌落,沿程流速逐渐增大,在堰趾处达到最大值。对比不同台阶级数n的曲线“S”型台阶堰上最大流速矢量值发现,台阶级数n=3的堰上流速矢量值大于台阶级数n=5的堰上流速矢量值。台阶漩涡区域的流速分布规律为:漩涡中心的水流速度接近于零,漩涡由中心向四周扩散,水流速度增加,但在漩涡接近于堰上主流的速度值与堰上主流流速值基本一致。（3）堰上每级台阶的水平面和竖直面压强等直线分布规律一致,均呈环形分布,但水平面压强值与竖直面压强值变化规律相反,水平面压强值由内到外逐渐变小,而竖直面压强值由内到外逐渐增大,并且在竖直面的顶角处可能出现负压值。在漩涡水流作用的台阶竖直面上的压强从上到下,压强值依次增大。对比不同台阶级数n的曲线“S”型台阶堰上水平面最大压强值发现,当台阶级数n增大,堰上每级台阶尺寸变小,水平面最大压强值增大。（4）分析堰上水头H0、台阶尺寸及台阶级数n对曲线“S”型台阶堰的消能率的影响规律,可以得出,在同一体型堰中,堰上水头越大,台阶堰的消能率越低。改变台阶级数n,即改变每级台阶的尺寸;在一定范围内,台阶级数n增大,消能率增加。图[57]表[14]参[79]
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