臺階式溢洪道純臺階消能率變化規律研究

董冰霜

（遼寧省凌源市水務局，遼寧朝陽122500）

臺階式溢洪道純臺階消能率變化規律研究

董冰霜

（遼寧省凌源市水務局，遼寧朝陽122500）

臺階溢洪道在水利工程泄洪消能中得到了廣泛應用，其與光滑溢洪道相比具有較高的消能率。消能率是研究臺階式溢洪道消能特性的重要參數，但其與流動參數間的關系十分復雜，總消能率并不能反映出各臺階的消能效果。采用模型試驗與數值計算相結合的方法，分析了純臺階單寬流量、臺階高度、坡度對消能率的影響。研究表明：純臺階消能率與流量、坡度間存在較好的線性關系，這2個參數可用于研究純臺階消能特性。

臺階；溢洪道；泄流；消能率

菩薩廟水庫位于凌源市大凌河上游南支的支流西大川河上，東經119°29′，北緯41°04′，該水庫是以防洪、農業灌溉為主，兼顧發電的中型水庫。該水庫采用開敞式光滑溢洪道，a型駝峰堰，堰高1.0m，堰頂高程405.4m，泄流凈寬74.44m，最大泄流量為1823m3/s，總長104m，相應的堰前水位為409.407m，堰后陡槽底坡坡比1∶3.5，后接挑流鼻坎及下游尾水渠。堰前15m至挑流鼻坎底板均為鋼筋混凝土結構，厚度30cm。引渠：底寬為80m，總長60m。溢洪道邊墻為漿砌石，頂寬0.8m，底寬1.6m，高6.1m，趾高0.5m，寬0.3m。目前溢洪道導流墻已遭破壞變形，經計算在正常水位條件下抗傾覆、抗滑動均不能滿足要求。擬對該光滑溢洪道進行改造，加裝多級臺階使其變為臺階式溢洪道，以增加最大泄流量。

目前，臺階式溢洪道在水利工程中廣泛應用，其研究方法主要包括模型試驗和數值計算，研究臺階溢洪道水力特性意義重大［1-2］。研究表明：傳統光滑溢洪道消能率較低，其消能效果遠不及臺階式溢洪道［3］。學者們對溢洪道消能特性的研究主要基于總消能率，而總消能率無法反映出單個臺階對消能的貢獻［4-5］。眾所周知，臺階式溢洪道的消能效果優于光滑溢洪道，從工程角度分析，消能率即可反映溢洪道的消能效果；但是從理論分析，消能率不能完全反映消能效果，因此研究純臺階消能率具有重大意義［6］。在已知水力參數的情況下，采用模型試驗與數值計算相結合的方法，分析了純臺階單寬流量、臺階高度、坡度對消能率的影響。

1消能率計算

為了便于區分，將光滑溢洪道消能率記為光滑消能率，臺階式溢洪道消能率分為光滑消能率和純臺階消能率2部分。在其他因素相同時，將模型的臺階去掉形成光滑溢洪道，采用連續性方程、動量方程、能量方程求解出模型流速和水深［7］。以模型末端為基準，進口處的總能量為E0，光滑溢洪道計算斷面的總能量為Egi，臺階式溢洪道計算斷面的總能量為Ei，則光滑溢洪道的能量損失為：

光滑消能率：

相同流量下，隨著流程長度增加，光滑消能率逐漸變大，且增長梯度增加，說明此時水流內部剪切作用加劇，沿程阻力增加；相同流程長度

臺階式溢洪道的能量損失為：

純臺階消能率：下，隨著單寬流量增加，光滑消能率逐漸減小。菩薩廟水庫對應的最大泄流量為1823m3/s，其最大單寬流量為24.5m2/s，因此測量光滑消能率時共設計了4種流量工況。表1給出了試驗得到的不同流量、不同流程長度下臺階式溢洪道光滑消能率情況。

表1臺階式溢洪道光滑消能率

2純臺階消能率變化規律

2.1臺階高度對消能率的影響

為了研究臺階高度對消能率的影響規律，取坡角為38°，單寬流量為21.2m2/s，臺階高度分別為0.5、1、2m［8］。試驗中3種高度下泄水流均為滑行水流，根據試驗數據，繪制純臺階消能率與流程長度的關系曲線，如圖1所示。

圖1臺階高度對純臺階消能率影響規律

由圖1可知，純臺階消能率與流程長度呈現良好的線性關系，根據最小二乘法擬合結果，二者的相關系數大于0.995。其余參數相同時，不同臺階高度對消能率的影響不大，其標準偏差值約為1.2%。由此可知，滑行水流下的臺階高度對消能率幾乎無影響。

2.2流量對消能率影響

為了研究單寬流量對純臺階消能率的影響規律，取坡角為38°，臺階高度為1m，由于當前最大單寬流量24.5m2/s仍不能滿足要求，因此新溢洪道單寬流量應加大。取單寬流量分別為8.1、21.2、35.7、46.7、62.2m2/s。根據試驗數據，繪制純臺階消能率與流程長度的關系曲線，如圖2所示。

圖2單寬流量對純臺階消能率的影響規律

試驗結果表明：單寬流量一定時，隨著流程長度的增加，純臺階消能率逐漸變大，2者基本呈線性關系，相關系數在0.997以上。相同斷面處，單寬流量對純臺階消能率有一定影響，最大偏差可達4.5%。但是除了q=8.1m2/s外，其余單寬流量下純臺階消能率與流程長度間呈現良好的線性關系。單寬流量q=8.1m2/s時，純臺階消能率與流程長度曲線接近冪函數，試驗中觀察到此工況存在跌落水流，由此說明滑行水流比跌落水流更容易滿足線性規律。目前，普遍認為光滑消能率隨著單寬流量的增大而減小，但是圖2中并不能體現，因為臺階區域出現漩渦，上部水體依然像光滑溢洪道一樣流動，然而下部水體與壁面間存在較大的剪切力致使消能效果加強。

2.3坡度對純臺階消能率的影響

取坡角為32°、38.7°、55°，臺階高度為1m，單寬流量為35.7m2/s，研究相同豎直落差下的純臺階消能率變化情況。相同豎直落差是指第一個臺階到當前斷面的高度差。坡度對純臺階消能率影響規律如圖3所示。

圖3坡度對純臺階消能率的影響規律

由圖3可知，豎直落差一定，隨著坡度的增加，純臺階消能率逐漸降低，最大降幅可達10.4%。此時，豎直落差與純臺階消能率間仍能保持線性關系，只是3種工況的曲線不再重合。因此，坡度對純臺階消能率的影響很大，主要是由于相同豎直落差下，坡度增加，流程長度減小，相應的純臺階消能率減小。因此，適當減小坡度有利于提高溢洪道消能效果。

2.4相對消能率

消能率是反映溢洪道消能效果的重要參數，由上述分析可知，光滑消能率并不能完全反映臺階式溢洪道的消能效果。對比純臺階消能率與光滑消能率所占比重，在此提出相對消能率，用于描述臺階消能占總消能的比重。

相對消能率：

式中：η—臺階溢洪道消能率；Δh臺—純臺階累計耗散的水頭，m；Δh—臺階式溢洪道消耗的總水頭，m。

圖4給出了臺階高度為1m時，不同流量、不同臺階位置時的相對消能率變化曲線。

圖4相對消能率對臺階位置變化規律

相同流量下，臺階數量越多，相對消能率越小。此時，純臺階消能率可視為常數，臺階消能效果不變，而臺階數量越多，水流內部剪切力越大，溢洪道沿程阻力越大，因此相對消能率越小。不同流量下，相對消能率變化越大。q=21.2m2/s時，單位寬度相對消能率的下降梯度為0.49%；而q=46.7m2/s時，單位寬度相對消能率的下降梯度為0.28%。說明單寬流量增加，純臺階消能比重增大，此時光滑部分消能效果雖然下降，但是臺階消能效果并未改變。

3結論

臺階溢洪道水流特性十分復雜，消能率是反映臺階式溢洪道消能效果的重要指標，傳統消能率并不能完全反映效能效果。本文針對此問題進行研究，結合模型試驗數據，分析了單寬流量、臺階高度、坡度對純臺階消能率的影響規律。并在此基礎上提出了相對消能率，用于描述臺階消能占總消能的比重。研究表明：純臺階消能率不受臺階高度、單寬流量影響，但受流程長度和坡度影響。純臺階消能率與單寬流量、坡度間存在較好的線性關系，這2個參數可用于研究純臺階消能特性。但針對復雜的臺階溢洪道水流特性，本研究還存在一定的不足，還需要進一步的深入研究。

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1008-1305（2016）03-0070-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.028

2016-04-01

董冰霜（1978年—），男，工程師。