【摘 要】台阶式溢洪道是结合RCC技术提出的一种具有高消能率的溢洪道新形式，它主要集中在台阶段，可以大大缩短消力池的长度，可以降低投资。本文总结了溢洪道台阶式消能的使用范围、消能率的影响因素和计算公式等各方面进行了研究。 【关键词】溢洪道台阶式；消能；研究 1 引言 今年来，随着RCC技术的出现和应用，对溢洪道的体型设计产生了巨大影响，水利工程中为了消除大坝所形成的水流能量，一般都采用溢洪道，在设计过程中，对溢洪道的局部不平整度做了严格规定，以防产生空蚀破坏。因此，溢洪道台阶式优于其他的设计方式而备受社会水利工程人员的强烈关注，并对此做了大量的研究。关于溢洪道台阶式的应用，目前仍存在着各种不同的说法和结论，有必要进一步做出研究。比如，大坝按功能分为挡水建筑物和泄水建筑物，对于泄水建筑物的设计通常会做水力学计算，计算泄流能力是否满足下泄要求，还有就是消能计算，看从泄水建筑物泄下来的水对下游河道产生的影响有多大，是否需要设置消能设施避免洪水对河道带来冲刷破坏。溢洪道台阶式消能就是通过在溢洪道表面设计台阶来提高消能率，从而使下游的消能设施规模降低，减少工程投资。 2 溢洪道台阶式水流流态研究 溢洪道台阶式水流流态是研究开敞台阶式溢流坝的切入点，其发展情况直接关系到水流对溢洪道的作用，若流态不佳会对溢洪道产生不利影响。目前将溢洪道水流流态分为三种流态，及滑行水流、过渡水流、跌落水流。 滑行水流。目前我们研究分析，当水流流过台阶表面时，主流与台阶之间会形成一个稳定的水流漩涡，它主要依靠溢洪道台阶式坡度的尺寸和大小。主流的流动方向与漩涡旋转方面的主流接触方向一致，当溢洪道台阶式坡度在30°和55°之间时，在此范围的各相连台阶边缘会形成一个理想的底层，并与该水面至水流表面平行，造成水面波动较小。如果溢洪道的坡度在5.7°和11.3°之间，在靠近台阶的外侧即旋涡紧贴台阶的对面，主流会冲击台阶，造成水流表面的形状变弯，使之台阶受到影响。 过渡水流。在跌落水流和过渡水流之间形成的一个水流现象，在有些台阶出现旋涡水流，则有些地方出现空腔。过渡水流会产生很强的冲击波和水力波动，以至于造成流态不稳定，在溢洪道台阶坡度为3.4°时，对过渡水流进行分析，可以分为三个区，即水流旋转区、水点飞溅区和急流区。在泄槽坡度为22°较陡时，水点飞溅区的水面出现最小值，并飞溅很高，超过边墙高度，同时，急流区消失。 跌落水流，自由下落的射流跌落在下一级台阶，并伴随水跃，主要分为完全水跃和不完全水跃两种跌落形式。完全水跃跌落是指在小流量和水深较浅时出现，在水跃落到最小水深时，与台阶之间的落点形成一个比水跃落水较高的水垫，并出现缓流与急流的交替形式。另外，不完全水跃一般在大水量出现时才形成，水跃落点由于撞机台阶，发生剧烈的紊动，可以通过计算公式，在h/l的范围为0.2和6之间时，通过h/l确定临界值，将计算出完全水跃的跌落水流状态。 跌落水流与滑行水流的区别在于压力分布，跌落水流一般是在一系列的自由下落形成，因此，一般是在失重状态，跌落水台与台阶水垫之间形成的空腔为负值，或者说是压力梯度为零。由于滑行水流的稳定水流旋涡，则是静水压力分布。这也就说明这之间造成的过渡水流会引起压力重新分布，造成工程失事或者轻微的震动，在设计时，尽量避免建筑物在过渡水流下运行。 同时很多实验研究表明，当流速较低、水深很浅时水流会出现偏折现象，即水流从第1级台阶向外向下发生偏折而落在相隔几级的台阶上，可通过设置尺寸由小到大的过渡性台阶来消除。如何确保流态的稳从而获得更高的消能率也是本项研究的重点。 3 消能率的研究 消能率的影响因素是一个很有争议的问题，消能率的影响因素很多，如单宽流量、水流的流态、溢洪道的坡度、台阶的高度和宽度、台阶的个数、溢洪道的断面尺寸等等。首先单宽流量对消能率的影响，设计一个坝坡为1：0.75高为50m的溢洪道台阶，针对不同的单宽流量进行研究，对坝面流场进行紊流数值模拟，把流量的入口水深和断面平均流数作为已知条件，计算出消能率，可以得知随着坝面单宽流量的增大，消能率而减小。这主要是由于单宽流量增大时，水面压力也增大，造成负压也增大，使得坝面产生空蚀破坏，因此我们在设计单宽流量时，最好加入人工掺气以减小坝面负压值。同理，在设计溢洪道的坡度时，采用台阶式消能可以获得较高的消能率，并随着坝坡的变缓而近似线性增大，但同样需要避免坝坡台阶立面的负压值增大，发生空蚀破坏。同样，台阶尺寸对消能率的影响，我们设置均匀的阶梯高度为1m，另外增加三种阶梯尺寸溢洪道的堰面曲线和坝坡、反弧段，改变台阶尺寸，并对每种尺寸设置过渡阶梯，当流量较大时，台阶高度范围为1-2m，消能率与台阶尺寸成正比关系，增大而增大，2m以后，变化较小。当流量较小时，高度为2m，不管台阶尺寸增加或减小，消能率都增大。 当坝高和流量一定时，过渡水流、滑行水流和跌落水流的消能率相差不多，这是由于在跌落水流和过渡水流的流量较小时，不管流量是否发生变化，主流冲击台阶的位置变化不大，因此，不会造成冲击太大。在滑行水流情况时，由于实际流过台阶表面的水深较小，尽管形状阻力的水流比过渡水流和跌落水流小，但是滑行水流的掺气很充分，在台阶隅角形成稳定的，而且有很强的旋涡，在周围随机形成空气层流态，因此各流矿的消能率的几乎一样。 4 台阶式溢洪道的适用范围 当单宽流量较大时，水流掺气现象消失，台阶面的流态与光滑面的流态无异，且台阶的存在仅相当于增加溢流面的粗糙程度，但容易使台阶面遭到空蚀破坏。当流量不大时，如果形成滑行水流，表面形成掺气，底部有稳定的溢洪道台阶式的流态，在消能的作用和惨气水流情况下，可以消除空蚀破坏。研究表明，当流量减小时，对于不掺气的水流长度将缩短，在满足滑行水流发生的条件下，自由表面掺气引起的气体输移在更长的距离内发生。溢洪道台阶式在距堰顶的一定距离的地方，会出现具有大量掺气和水深等特点的均匀流，并且它的位置随着流量的增加而增大。如果在不同的断面，流速分布和掺气浓度基本保持不变，如果水深浓度达到90%，可以认为是掺气水深，流量较小时，台阶段的惨气浓度减小，并随着流量的变化而成反比变化。变化增大到一定程度时，就会成清澈透底的无掺气水流。另外，前面对于消能率的研究，我们可以知道保持台阶尺寸不变，流量的增大，可以使溢洪道台阶式的消能率降低，溢洪道台阶式随着流量的的增大而减小时，水跃长度缩短消力池长度的效果也会降低，因此，溢洪道台阶式仅适用于流量较小的中小型水利工程。 5 结论 由此可见，溢洪道台阶式消能作为一种先进的消能设施而提出来，虽然能显著的增加溢洪道末端跃前端面的消能投资，提高施工效率，缩短施工进度，如果要完全用于实际工程，还需要仔细研究。有些工程因为地质条件原因，抗冲刷能力比较差，溢洪道台阶式可以有效解决这种矛盾条件，通过减少消力池长度，降低工程投资，有效提高了工程经济效益。 参考文献： [1]田嘉宁，等.台阶式溢洪道的消能问题[J].西安理工大学学报，2002（4）. [2]汝树勋.曲线形阶梯式溢洪坝的消能特性[A].潜水工程与高速水流论文集[C].成都：成都科技大学出版社，1994. [2]陆民安.百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计与设计[J].广西水利水电，2004（2）.
【摘 要】台阶式溢洪道是结合RCC技术提出的一种具有高消能率的溢洪道新形式，它主要集中在台阶段，可以大大缩短消力池的长度，可以降低投资。本文总结了溢洪道台阶式消能的使用范围、消能率的影响因素和计算公式等各方面进行了研究。 【关键词】溢洪道台阶式；消能；研究 1 引言 今年来，随着RCC技术的出现和应用，对溢洪道的体型设计产生了巨大影响，水利工程中为了消除大坝所形成的水流能量，一般都采用溢洪道，在设计过程中，对溢洪道的局部不平整度做了严格规定，以防产生空蚀破坏。因此，溢洪道台阶式优于其他的设计方式而备受社会水利工程人员的强烈关注，并对此做了大量的研究。关于溢洪道台阶式的应用，目前仍存在着各种不同的说法和结论，有必要进一步做出研究。比如，大坝按功能分为挡水建筑物和泄水建筑物，对于泄水建筑物的设计通常会做水力学计算，计算泄流能力是否满足下泄要求，还有就是消能计算，看从泄水建筑物泄下来的水对下游河道产生的影响有多大，是否需要设置消能设施避免洪水对河道带来冲刷破坏。溢洪道台阶式消能就是通过在溢洪道表面设计台阶来提高消能率，从而使下游的消能设施规模降低，减少工程投资。 2 溢洪道台阶式水流流态研究 溢洪道台阶式水流流态是研究开敞台阶式溢流坝的切入点，其发展情况直接关系到水流对溢洪道的作用，若流态不佳会对溢洪道产生不利影响。目前将溢洪道水流流态分为三种流态，及滑行水流、过渡水流、跌落水流。 滑行水流。目前我们研究分析，当水流流过台阶表面时，主流与台阶之间会形成一个稳定的水流漩涡，它主要依靠溢洪道台阶式坡度的尺寸和大小。主流的流动方向与漩涡旋转方面的主流接触方向一致，当溢洪道台阶式坡度在30°和55°之间时，在此范围的各相连台阶边缘会形成一个理想的底层，并与该水面至水流表面平行，造成水面波动较小。如果溢洪道的坡度在5.7°和11.3°之间，在靠近台阶的外侧即旋涡紧贴台阶的对面，主流会冲击台阶，造成水流表面的形状变弯，使之台阶受到影响。 过渡水流。在跌落水流和过渡水流之间形成的一个水流现象，在有些台阶出现旋涡水流，则有些地方出现空腔。过渡水流会产生很强的冲击波和水力波动，以至于造成流态不稳定，在溢洪道台阶坡度为3.4°时，对过渡水流进行分析，可以分为三个区，即水流旋转区、水点飞溅区和急流区。在泄槽坡度为22°较陡时，水点飞溅区的水面出现最小值，并飞溅很高，超过边墙高度，同时，急流区消失。 跌落水流，自由下落的射流跌落在下一级台阶，并伴随水跃，主要分为完全水跃和不完全水跃两种跌落形式。完全水跃跌落是指在小流量和水深较浅时出现，在水跃落到最小水深时，与台阶之间的落点形成一个比水跃落水较高的水垫，并出现缓流与急流的交替形式。另外，不完全水跃一般在大水量出现时才形成，水跃落点由于撞机台阶，发生剧烈的紊动，可以通过计算公式，在h/l的范围为0.2和6之间时，通过h/l确定临界值，将计算出完全水跃的跌落水流状态。 跌落水流与滑行水流的区别在于压力分布，跌落水流一般是在一系列的自由下落形成，因此，一般是在失重状态，跌落水台与台阶水垫之间形成的空腔为负值，或者说是压力梯度为零。由于滑行水流的稳定水流旋涡，则是静水压力分布。这也就说明这之间造成的过渡水流会引起压力重新分布，造成工程失事或者轻微的震动，在设计时，尽量避免建筑物在过渡水流下运行。 同时很多实验研究表明，当流速较低、水深很浅时水流会出现偏折现象，即水流从第1级台阶向外向下发生偏折而落在相隔几级的台阶上，可通过设置尺寸由小到大的过渡性台阶来消除。如何确保流态的稳从而获得更高的消能率也是本项研究的重点。 3 消能率的研究 消能率的影响因素是一个很有争议的问题，消能率的影响因素很多，如单宽流量、水流的流态、溢洪道的坡度、台阶的高度和宽度、台阶的个数、溢洪道的断面尺寸等等。首先单宽流量对消能率的影响，设计一个坝坡为1：0.75高为50m的溢洪道台阶，针对不同的单宽流量进行研究，对坝面流场进行紊流数值模拟，把流量的入口水深和断面平均流数作为已知条件，计算出消能率，可以得知随着坝面单宽流量的增大，消能率而减小。这主要是由于单宽流量增大时，水面压力也增大，造成负压也增大，使得坝面产生空蚀破坏，因此我们在设计单宽流量时，最好加入人工掺气以减小坝面负压值。同理，在设计溢洪道的坡度时，采用台阶式消能可以获得较高的消能率，并随着坝坡的变缓而近似线性增大，但同样需要避免坝坡台阶立面的负压值增大，发生空蚀破坏。同样，台阶尺寸对消能率的影响，我们设置均匀的阶梯高度为1m，另外增加三种阶梯尺寸溢洪道的堰面曲线和坝坡、反弧段，改变台阶尺寸，并对每种尺寸设置过渡阶梯，当流量较大时，台阶高度范围为1-2m，消能率与台阶尺寸成正比关系，增大而增大，2m以后，变化较小。当流量较小时，高度为2m，不管台阶尺寸增加或减小，消能率都增大。 当坝高和流量一定时，过渡水流、滑行水流和跌落水流的消能率相差不多，这是由于在跌落水流和过渡水流的流量较小时，不管流量是否发生变化，主流冲击台阶的位置变化不大，因此，不会造成冲击太大。在滑行水流情况时，由于实际流过台阶表面的水深较小，尽管形状阻力的水流比过渡水流和跌落水流小，但是滑行水流的掺气很充分，在台阶隅角形成稳定的，而且有很强的旋涡，在周围随机形成空气层流态，因此各流矿的消能率的几乎一样。 4 台阶式溢洪道的适用范围 当单宽流量较大时，水流掺气现象消失，台阶面的流态与光滑面的流态无异，且台阶的存在仅相当于增加溢流面的粗糙程度，但容易使台阶面遭到空蚀破坏。当流量不大时，如果形成滑行水流，表面形成掺气，底部有稳定的溢洪道台阶式的流态，在消能的作用和惨气水流情况下，可以消除空蚀破坏。研究表明，当流量减小时，对于不掺气的水流长度将缩短，在满足滑行水流发生的条件下，自由表面掺气引起的气体输移在更长的距离内发生。溢洪道台阶式在距堰顶的一定距离的地方，会出现具有大量掺气和水深等特点的均匀流，并且它的位置随着流量的增加而增大。如果在不同的断面，流速分布和掺气浓度基本保持不变，如果水深浓度达到90%，可以认为是掺气水深，流量较小时，台阶段的惨气浓度减小，并随着流量的变化而成反比变化。变化增大到一定程度时，就会成清澈透底的无掺气水流。另外，前面对于消能率的研究，我们可以知道保持台阶尺寸不变，流量的增大，可以使溢洪道台阶式的消能率降低，溢洪道台阶式随着流量的的增大而减小时，水跃长度缩短消力池长度的效果也会降低，因此，溢洪道台阶式仅适用于流量较小的中小型水利工程。 5 结论 由此可见，溢洪道台阶式消能作为一种先进的消能设施而提出来，虽然能显著的增加溢洪道末端跃前端面的消能投资，提高施工效率，缩短施工进度，如果要完全用于实际工程，还需要仔细研究。有些工程因为地质条件原因，抗冲刷能力比较差，溢洪道台阶式可以有效解决这种矛盾条件，通过减少消力池长度，降低工程投资，有效提高了工程经济效益。 参考文献： [1]田嘉宁，等.台阶式溢洪道的消能问题[J].西安理工大学学报，2002（4）. [2]汝树勋.曲线形阶梯式溢洪坝的消能特性[A].潜水工程与高速水流论文集[C].成都：成都科技大学出版社，1994. [2]陆民安.百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计与设计[J].广西水利水电，2004（2）.