台阶式泄槽溢洪道的设计

台阶式泄槽溢洪道的水力特性

和设计应用

艾克明

(湖南省水利水电勘测设计研究院　长沙　410007)

提 要

台阶式泄槽溢洪道的显著特点是沿溢流面的消能率大大提高,从而可免除或极大地缩短

溢洪道末尾所需消能工的尺寸。台阶水道还可用于水处理工厂,促进空气中的气-水交换和

有机质的挥发。参阅国内外资料的基础上,本文对台阶溢洪道的发展现状、流态和水力特性,

以及台阶溢洪道的设计应用做了介绍。

关键词　台阶式泄槽溢洪道　溢流水舌　分离流　掺气　消能本文于1998年7月21日收到。一、台阶式泄槽溢洪道的发展状况

台阶式泄槽溢洪道在塘坝和跌水上已有2500多年的应用历史。60年代末,有的国家开始应用台阶溢洪道于中、小型水利工程。台阶有混凝土的,浆砌石的,也有石笼的。80年代,随着碾压混凝土(RCC)的推广应用,由于台阶能结合坝体升程,施工方便,因此RCC 台阶溢洪道得到了迅速发展。美国的上静水坝(U pper Still -w ater Dam )是世界上第一个采用

RCC 台阶溢洪道的工程[1]。

南非已建成投产的22座RCC 坝中,有20座采用了RCC 台阶溢洪道,其中包括2座世界上最先修建的RCC 重力拱坝[2]。

台阶溢洪道不但广泛应用于重力坝上,同时在低的过水土坝上也有应用。俄罗斯工程师于70年代中期最先修建了用预制混凝土块砌筑的台阶式泄槽土坝溢洪道[3]

。用RCC 台阶作为堤坝漫水时下游坡的保护措施,已成美国最广泛可以接受和应用的方法。现在美国有19个州的44座土坝用RCC 保护,以增加坝体的调洪能力[4]。巴西的辛戈堆石面板坝,为了在施工期漫水时保护坝体不受损坏,在下游坡的50m 高度范围内修筑了RCC 台阶[5]。

台阶溢洪道显著特点是沿坝坡逐级掺气、减速、消能。许多试验研究表明,台阶溢洪道的消能率比常规光滑混凝土泄槽要高出40%～80%,因而使下游要求的消力池长度大大减短。

除了泄洪消能以外,在国外的水处理工厂也用台阶式水道来增加水体的氧气含量,促进水体中有机质的挥发,改善水质。

90年代,我国也已开始研究并建成投产了RCC 台阶溢洪道。例如福建省的水洞RCC 坝的台阶溢洪道于1994年建成,并于同年5月通过了一场100年一遇的大洪水,单宽流量达90m 3/s.m 。泄洪期间台阶溢洪道的消能效果良好,消力池下游河道里的水流平稳。台阶溢

1998年第4期水　力　发　电　学　报JOU R N AL O F HY DRO EL ECT RIC EN GI NEERI NG 总第63期

洪道仅只微小破坏[6]。

湖南省的江垭RCC 大坝,高128m 。为了宣泄最大可能洪水(PM F ),坝体中央预留缺口,坝下游面上设高90cm 的RCC 台阶,作为非常泄洪措施。该工程将于年内建成投产[7]。

综上所述可以认为,台阶溢洪道已成为世界各国泄洪消能的通用方法之一。

二、水流流态

台阶式泄槽由一系列具有跌坎的明渠组成。总落差被分为若干小跌水。试验观察表明,通过台阶溢洪道的水流大体可以分为两种典型流态:跌流水舌(或溢流水舌)和分离流(也有人称滑移流),见图1

。

图1　泄槽上的流态

(a)具有完全水跃的溢流水舌　(b)部分水跃的溢流水舌　(c)具有尾流-台阶干扰的分离流(缓坡 <27°)

　(d)尾流-尾流干扰的分离流( =27°)　(e)具有稳定旋转空间的分离流( >27°)

2.1　跌流水舌流态

皮拉斯等人(Peyras)描绘有两种跌流水舌[3]

:对于小流量和水深浅时的完全水跃型跌流水舌(图1a )和部分发展的跌流水舌,也叫部分跌流水舌(图1b )。昌桑(Chanson H .)认为,完全发展的水跃型跌流水舌出现于较小的流量,其临界值为[3]:

(d c /h )特=0.0916(h /L )-1.276(1)

式中　d c ——临界水深;h 和L 分别为台阶的步高和步长。完全发展的水跃型跌流水舌流态出现于d c /h <(d c /h )特的时候。式(1)是在0.2<≤h /L ≤6的条件下建立的。

2.2　分离流流态随着流量或坡度的加大,可能由跌流水舌过渡到分离流流态。分离水流的形成取决于87艾克明:台阶式泄槽溢洪道的水力特性和设计应用

流量、台阶的步高与步长。文献[3]提出分离流的临界值为:

(d c )始/h = 1.057-0.46h /L

(2)

即当d c /h >(d c )始/h 时出现分离流流态。当为分离流流态时,水流通过台阶面为一种稳定流,它飘越台阶,并被陷落在台阶上的旋转水体所衬垫。台阶的外轮廓形成一个假底,水流在假底上通过。在假底下面形成稳定的涡流,如图1e 所示。图1c 和1d 为跌流水舌流态向分离流流态过渡的流态。台阶上稳定的旋转水流约发生在台阶的高长比大于0.4的时候(此时台阶的坡角 =26.6°)。所以一般认为 >27°时出现分离水流。分离流的流态特征是具有很大的摩阻损失和很强的掺气过程。当为高坝时,它具有比跌流水舌流态更大的消能作用。

过渡流态通常不稳定,有时伴随着振动。因此,工程设计时应调整参数,尽量避免建筑物在过渡流态下经常运行。

三、掺 气

台阶式泄槽上的水流具有高紊动和大量掺气的特点。由于紊动和掺气的结果,使得水体的能量大量消杀,同时使水体重新氧化,分解气体,促进有机质的挥发,消除或减少异味异臭,改善水质。当然,坝下游水体过分含氮,也会引起某些鱼类的死亡,也应加以注意。

3.1　跌流水舌的掺气

图2　台阶溢洪道掺气(a)溢流水舌　(b)人工分离流如图2a 所示,在跌流水舌的流态中,每个台

阶上的气-水交换是在跌落点和下游水跃处形成

的。文献[3]认为,每一个单一台阶的掺气率可表

示为:

E i =E 水舌+E 水跃(1-E 水舌)

(3) 式中　E 水舌——入射水舌的掺气率;

E 水跃——水跃的掺气率,它由下式确定:

E 水跃=C DS -C US

C S -C US 式中　C U S ——上游(溶解的)含气率;　

C D S ——下游含气率;

Cs ——水中饱和的气体浓度。

对于一系列台阶N ,整个梯级的掺气率可用

每个台阶的掺气率表示:

E =1- N i =1

　(1-E i )(4) E i 由式(3)计算。对于具有同等特征的N 个台阶泄槽的掺气率,可写成:

E =1-(1-E i )

N (5)

3.2　分离流流态的掺气88

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