反弧階梯溢洪道水力特性

張 偉，李書芳，王景旭

(河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038)

階梯消能是一種古老的消能形式，最早可追溯到公元前1300年希臘人在Akamania修建的土質溢流堰[1]。近30多年來，隨著碾壓混凝土筑壩技術的發展，階梯消能因施工進度快、工期短、投資省等優勢，受到國內外水利工作者的強烈關注，并進行了大量的研究[2-5]。但工程實踐表明，在高水頭、大單寬流量下，傳統直角階梯消能工有可能出現消能率下降、摻氣能力減弱、發生空蝕破壞等問題[6]。為提高大單寬流量階梯消能工的消能率和降低空蝕破壞風險，國內外學者不斷對階梯形式和消能方式進行改進和優化，進行了許多新型階梯消能方式的開發和研究工作。

從階梯面形式方面，可通過在階梯面上增加輔助消能元件或者改變階梯面形狀來提高消能和摻氣效果。如Torabi等[7-8]通過在階梯面上布置塊體結構增加階梯面粗糙度，通過模型試驗得出在滑行流狀態下，粗糙化的階梯溢洪道的消能率提高了7.2%～20%；Gamal等[9]通過在階梯面上增加帶孔的擋板，使得階梯溢洪道趾部的消能率明顯增大。Mero等[10]將階梯面設置成兩側高中間低的曲面形，并在中部設置反射塊體結構，在溢洪坡度為26.68°時得出消能率是傳統階梯的兩倍；Chinnarasri等[11-12]通過改變階梯面坡度和增加阻水尾坎，提出了斜面階梯和帶尾坎階梯；Carvalho等[13]提出了以在階梯面發生水躍為主要目的弧形尾坎階梯；黃智敏等[14]通過對外凸形階梯與光滑溢洪道的對比，指出外凸形階梯溢洪道的消能效果要遠大于光滑溢洪道；……