台阶式溢洪道消能规律试验研究

台阶式溢洪道消能规律试验研究
赵相航;解宏伟;郭馨;李天慧
【摘要】为研究台阶式溢洪道消能变化规律,结合某水库实际工程,采用水工模型试验的方法,对不同水力条件下台阶式溢洪道的水流流态、消能特性进行了研究.结果表明:台阶式溢洪道水流流态根据上游来流量和台阶尺寸的不同可分为滑行水流、跌落水流和过渡水流;台阶式溢洪道消能率随流量的增加而减小,并随坝高的增加而增大,改变台阶尺寸对消能率基本没有影响;在较小流量时台阶式溢洪道消能率可达到90%以上,说明台阶式溢洪道具有很好的消能效果.
【期刊名称】《青海大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(034)005
【总页数】4页(P36-39)
【关键词】台阶式溢洪道;水流流态;消能率
【作者】赵相航;解宏伟;郭馨;李天慧
【作者单位】青海大学水利电力学院,青海西宁810016;青海大学水利电力学院,青海西宁810016;青海大学水利电力学院,青海西宁810016;济南市城市园林绿化局,山东济南 250000
【正文语种】中文
【中图分类】TV135.2
台阶式溢洪道是将光滑溢洪道泄槽坝面改成由一系列跌落的台阶组成。

台阶式溢洪道在塘坝和跌水上的应用已有2 500多年[1]，上世纪60年代末，台阶式溢洪道
开始应用到中、小型水利工程，到80年代，随着碾压混凝土(RCC)筑坝技术的推广，光滑溢洪道工程量大、消能效率低和工程造价高的弊端逐渐显露出来，台阶式溢洪道作为一种新型的消能工得到了广泛的应用，它具有消能效率高，不易发生空蚀破坏且工程造价低等优点，受到国内外水利界研究人员的强烈关注，并进行了大量的试验研究[2-6]，但得到的研究结果有所差别。

本文为进一步探讨台阶式溢洪
道沿程消能规律，采用水工模型试验方法[7]，研究了在相同坡度、不同单宽流量
和台阶尺寸下，台阶式溢洪道的水流流态和消能规律，旨在为台阶式溢洪道的优化设计提供参考依据。

该工程坝面溢洪道位于坝体的右岸一级阶地部位，由溢流堰进口段、泄槽段、消力池、明渠组成，全长216.97 m。

采用开敞式正槽溢洪道，大坝高41.1 m。

其中
溢流堰为实用堰型，泄槽考虑与坝体坡度相适应为1∶1.5，宽21 m。

模型试验采用重力相似准则设计，模型长度比尺为1∶40，流量比尺为1∶101 19.3，模型采用有机玻璃制作，前池采用正向进水，为保证前池的水流平稳流速均匀，水池内设置稳水栅，试验泄槽宽52.5 cm，坡度为θ=33.69°，对3种台阶体型(h=3.0 cm，2.07 cm，1.5 cm)进行模型试验，试验单宽流量为(0.007 5～0.027 7)m3/s·m，
原型单宽流量为(1.90～7.01)m3/s·m，流量利用设在下游的三角形薄壁堰测量，
试验中对一些典型断面的流况进行了拍照。

台阶模型试验示意图见图1。

台阶式溢洪道的水流流态根据斜坡角度、单宽流量、台阶高度可分为3类。

(1)滑行水流(Skimming flow)。

台阶凹角内被水充满，形成回旋水流，水流在台
阶内旋滚，旋滚方向与主流方向一致，主要通过水流的紊动剪切力来维持，旋滚的强度受单宽流量和台阶尺寸的影响，单宽流量越大，台阶尺寸越大，台阶凹角内的水体旋滚越剧烈；留在台阶内的回旋水体和台阶凸角的连线共同形成一个虚拟底板，主流在虚拟底板上滑行流动(见图2a)。

(2)跌落水流(Nappe flow)。

水流经过台阶后跌落在下一级台阶上，在主流和台阶
凹角之间形成一个空腔，台阶水平面上存在一层水垫，水流下泄跌落到水垫上，台阶空腔尺寸愈大，水垫厚度愈薄。

在较小单宽流量时，水流在起始台阶上形成挑射流，水流飞过几个台阶，然后在下一级台阶上形成小跌流，挑射水流状态常常伴随有水滴飞溅，个别水滴飞得很高，甚至超过溢洪道边墙高度。

为了保证水流平顺，在溢流堰段与台阶尺寸恒定段之间应设置过渡台阶结构，每级台阶高度不断增加，从而消除挑射水流，防止水流偏折(见图2b)。

(3)过渡水流(Transition flow)。

处在滑行水流和跌落水流之间的是过渡水流，一些类似滑行水流在台阶凹角内被旋滚水流充满，另一些类似跌落水流在台阶凹角形成近似三角形的空腔。

过渡水流会产生较强的水力波动和冲击波，对台阶产生巨大影响，在设计中应给予足够的重视(见图2c)。

关于滑行水流、跌落水流和跌落水流的临界值，Ohtsu等[8]在2001年研究了
5.7°≤θ≤55°范围内水流流态的判别公式，滑行水流下限为
yc/h=1/1.16(tanθ)0.165，跌落水流上限为yc/h=1/(1.3+0.57(tanθ)3)，式中：yc为溢洪道进口处的临界水深，h为台阶高度，θ为溢洪道的斜坡角度，本文试
验观测结果与其相同。

消能率是反映台阶式溢洪道消能效果最为简单、直观的参数。

本文利用上、下游能量守恒原理计算台阶式溢洪道消能率，根据试验中所测的水深和流速分别计算台阶开始断面和结束断面的总能量，用两断面能量之差与开始断面能量之比作为消能率。

消能率η计算公式如下：
式中：E1，E2分别为坝面上、下游断面单宽水体总能量；H为下游断面到溢流堰堰顶的垂直距离；H0为水库水位到堰顶的垂直距离；hp为下游断面垂直坝面的
水深；θ为溢洪道坡度；v为下游断面流速。

流量是影响台阶式溢洪道消能率的重要因素，本文对不同单宽流量下台阶式溢洪道末端的消能率进行了研究，如图3所示。

从图中可以看出，在试验范围内，台阶
式溢洪道消能率随单宽流量的增大而逐渐减小，分析其原因是随着流量的增加，水流自身能量增大，上覆水深增加，水流掺气效果减弱，同时台阶的阻碍作用降低，使台阶式溢洪道消能率减小，消能效果随之降低；根据OHTSU等[8]研究成果可
判断不同流量下的水流流态，发现跌落水流的消能效果较好。

另外，在流量较小时，台阶式溢洪道消能率可达90%以上，说明台阶式溢洪道消能效果显著，适应于中
小型水利工程。

图4为台阶式溢洪道消能率随坝高变化规律，图中相对坝高为观测点到溢流堰顶
的垂直距离与台阶段末端到堰顶的高度之比，可以看出：在其他条件不变的情况下，改变坝体高度，消能率发生显著变化。

在试验范围内，台阶式溢洪道消能率随坝高的增加而增大，在0.4倍坝高之前，消能率与坝高之间的斜率较大，消能率增加速度较快，在0.4～0.8倍坝高时，斜率相对变小，消能率增加速度变缓，并在0.8
倍坝高之后，消能率逐渐趋于某一常数，达到稳定值，表明在相同消能率前提下，高坝较之低坝可适应更大的单宽流量。

台阶式溢洪道是由一系列台阶组成，其台阶尺寸是否影响自身消能率，本文还研究了台阶尺寸对消能率的影响，如图5所示，图中相对坝长为观测点到溢流堰顶的
水平距离与台阶段末端到堰顶的水平距离之比。

结果表明，在不同台阶尺寸下，台阶式溢洪道沿程消能率变化规律一致，改变台阶尺寸(台阶个数)，消能率变化甚微。

在q=0.009 1 m3/s·m时，体型1(h=3.0 cm)和体型3(h=1.5 cm)消能率相差无几，体型2(h=2.07 cm)消能率整体略大于其他体型，但相差不大；在q=0.022 6 m3/s·m时，三种体型消能率相差不大，综合图3分析，在相同流量下，改变台阶尺寸，台阶式溢洪道消能率变化不大，可见台阶尺寸对台阶式溢洪道消能率基本没有影响。

本文通过水工模型试验方法，对台阶式溢洪道的水流流态和消能规律进行了研究，研究表明：台阶式溢洪道的水流流态根据单宽流量、台阶尺寸等可分为滑行水流、
跌落水流和过渡水流三类，这与OHTSU等[9]研究成果相一致，过渡水流对台阶产生的影响较大，在实际工程中应予避免。

台阶式溢洪道消能率与坝高、单宽流量有关，且随坝高的增加而增大，并逐渐趋于某一常数，达到稳定值，同时随着单宽流量的增大而逐渐减小；在试验范围内改变台阶尺寸，台阶式溢洪道消能率变化不大。

台阶式溢洪道在小流量时消能率较高，可达到90%以上，具有较高的消能效果，从而大大简化了下游消能防冲设施，节省了投资，是一种经济实用的新型消能工，在实际工程具有较大的应用价值。

本试验研究考虑了单宽流量、坝高和台阶尺寸对消能率的影响，为了更全面得到台阶式溢消能规律，可进行大单宽流量的研究并考虑坡度因素对消能率的影响。