台阶式溢洪道纯台阶消能率变化规律研究

董冰霜

(辽宁省凌源市水务局，辽宁 朝阳　122500)

台阶式溢洪道纯台阶消能率变化规律研究

董冰霜

(辽宁省凌源市水务局，辽宁 朝阳122500)

【摘要】台阶式溢洪道在水利工程泄洪消能中得到了广泛应用，其与光滑溢洪道相比具有较高的消能率。消能率是研究台阶式溢洪道消能特性的重要参数，但其与流动参数间的关系十分复杂，总消能率并不能反映出各台阶的消能效果。本文采用模型试验与数值计算相结合的方法，分析了纯台阶单宽流量、台阶高度、坡度对消能率的影响。研究表明：纯台阶消能率与流量、坡度间存在较好的线性关系，这两个参数可用于研究纯台阶消能特性。

【关键词】台阶；溢洪道；泄流；消能率

菩萨庙水库位于凌源市大凌河上游南支的支流西大川河上，地理位置为东经119°29′、北纬41°04′，是以防洪、农业灌溉为主，兼顾发电的中型水库。该水库采用开敞式光滑溢洪道， a型驼峰堰，堰高1m，堰顶高程405.4m，泄流净宽74.44m，最大泄流量1823m3/s，总长104m，相应的堰前水位为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。目前溢洪道导流墙已变形破坏，经计算在正常水位条件下抗倾覆、抗滑动性均不能满足要求。拟对该光滑溢洪道进行改造，加装多级台阶使其变为台阶式溢洪道，以增加最大泄流量。

研究表明：传统光滑溢洪道消能率较低，其消能效果远不及台阶式溢洪道。学者们对溢洪道消能特性的研究主要基于总消能率，而总消能率无法反映出单个台阶对消能的贡献。众所周知，台阶式溢洪道的消能效果优于光滑溢洪道，从工程角度分析，消能率即可反映溢洪道的消能效果；但是从理论分析，消能率不能完全反映消能效果，因此研究纯台阶消能率具有重大意义。

1消能率计算

为了便于区分，将光滑溢洪道消能率称为光滑消能率，将台阶式溢洪道消能率分为光滑消能率和纯台阶消能率两部分。在其他因素相同时，将模型的台阶去掉形成光滑溢洪道，采用连续性方程、动量方程、能量方程求解出模型流速和水深。以模型末端为基准，进口处的总能量为E0，光滑溢洪道计算断面的总能量为Egi，台阶式溢洪道计算断面的总能量为Ei，则光滑溢洪道的能量损失为：

(1)

光滑消能率为：

(2)

台阶式溢洪道的能量损失为：

(3)

纯台阶消能率为：

(4)

相同流量下，随着流程长度增加，光滑消能率逐渐变大，且增长梯度增加，说明此时水流内部剪切作用加剧，沿程阻力增加；相同流程长度下，随着单宽流量的增加，光滑消能率逐渐减小。测量光滑消能率时共设计了4种流量工况，下表给出了试验得到的不同流量、不同流程长度下台阶式溢洪道光滑消能率情况。

阶式溢洪道光滑消能率表

2纯台阶消能率变化规律

2.1　台阶高度对消能率的影响

为了研究台阶高度对消能率的影响规律，取坡角为38°，单宽流量为21.2m3/(s·m)，台阶高度分别为0.5m、1m、2m。试验中3种高度下泄水流均为滑行水流，根据试验数据，绘制纯台阶消能率与流程长度的关系曲线，见图1。

图1　台阶高度对纯台阶消能率影响规律

由图1可知，纯台阶消能率与流程长度呈现良好的线性关系，根据最小二乘法拟合结果，二者的相关系数大于0.995。其余参数相同时，不同台阶高度对消能率的影响不大，其标准偏差值约为1.2%。由此可知，滑行水流下的台阶高度对消能率几乎无影响。

2.2　流量对消能率的影响

为了研究单宽流量对纯台阶消能率的影响规律，取坡角为38°，台阶高度为1m，由于当前最大单宽流量24.5m3/(s·m)仍不能满足要求，因此新溢洪道单宽流量应加大。取单宽流量分别为8.1m3/(s·m)、21.2m3/(s·m)、35.7m3/(s·m)、46.7m3/(s·m)、62.2m3/(s·m)。根据试验数据，绘制纯台阶消能率与流程长度的关系曲线，见图2。

图2　流量对纯台阶消能率影响规律

试验结果表明：流量一定时，随着流程长度的增加，纯台阶消能率逐渐变大，二者基本呈线性关系，相关系数在0.997以上。相同断面处，流量对纯台阶消能率有一定影响，最大偏差可达4.5%。但是除了q=8.1m3/(s·m)外，其余流量下纯台阶消能率与流程长度间呈现良好的线性关系。单宽流量q=8.1m3/(s·m)时，纯台阶消能率与流程长度曲线接近幂函数，试验中观察到此工况存在跌落水流，由此说明滑行水流比跌落水流更容易满足线性规律。

2.3　坡度对消能率影响

取坡角为32°、38.7°、55°，台阶高度为1m，单宽流量为35.7m3/(s·m)，研究相同竖直落差下的纯台阶消能率变化情况。相同竖直落差是指第一个台阶到当前断面的高度差。坡度对纯台阶消能率的影响规律见图3。

图3　坡度对纯台阶消能率的影响规律

由图3可知，竖直落差一定时，随着坡度的增加，纯台阶消能率逐渐降低，最大降幅可达10.4%。此时，竖直落差与纯台阶消能率间仍能保持线性关系，只是3种工况的曲线不再重合。因此，坡度对纯台阶消能率的影响很大，主要是由于相同竖直落差下，坡度增加，流程长度减小，相应的纯台阶消能率减小。因此，适当减小坡度有利于提高溢洪道消能效果。

2.4　相对消能率

消能率是反映溢洪道消能效果的重要参数，由上述分析可知，光滑消能率并不能完全反映台阶式溢洪道的消能效果。对比纯台阶消能率与光滑消能率所占比重，在此提出相对消能率，用于描述台阶消能占总消能的比重。

相对消能率为：

(5)

式中η——台阶溢洪道消能率；

Δh台——纯台阶累计耗散的水头;

Δh——台阶式溢洪道消耗的总水头。

图4为台阶高度为1m时，不同流量、不同台阶位置时的相对消能率变化曲线。

图4　相对消能率对台阶位置变化规律

流量相同时，台阶数越多，相对消能率越小。由于纯台阶消能率为常数，因此台阶数量越多，水流内部的剪切力越大，溢洪道沿程阻力越大，相对消能率越小。流量不同时，相对消能率变化情况如下：q=21.2m3/(s·m)时，消能率下降梯度

3结语

结合模型试验数据，分析了单宽流量、台阶高度、坡度对纯台阶消能率的影响规律。并在此基础上提出了相对消能率，用于描述台阶消能占总消能的比重。研究表明：纯台阶消能率不受台阶高度、流量影响，但受流程长度和坡度影响。纯台阶消能率与流量、坡度间存在较好的线性关系，这两个参数可用于研究纯台阶消能特性。但针对复杂的台阶溢洪道水流特性，本研究还存在一定的不足，还需要进一步的深入研究。

参考文献

[1]韩艳红.土石坝溢洪道设计与运行问题分析探讨[J].水利建设与管理,2012(5):17-19.

[2]马爱冬.溢洪道泄流消能试验研究[J].水利建设与管理,2012(11):11-14.

[3]王莉艳.斯木塔斯水电站台阶式溢洪道消能设计[J].中国水能及电气化,2014(4):65-67.

[4]李水生,李晓彬,申显柱.董箐水电站工程溢洪道宽大泄槽掺气设施设计[J].中国水能及电气化,2014(12):52-54.

[5]刘绍国.卡拉贝利水利枢纽工程水土保持监测探讨[J].水资源开发与管理,2015(1):45-47.

Research on pure step energy dissipation rate change law of stepped spillway

DONG Bingshuang

(LiaoningLingyuanWaterAuthority,Chaoyang122500,China)

Abstract:Stepped spillway is widely applied in flood discharge and energy dissipation of water conservancy projects. It has higher energy dissipation rate compared with smooth spillway. The energy dissipation rate is one of the important parameters to study stepped spillway energy dissipation characteristics. However, its relationship with flow parameters is very complex. Total energy dissipation rate does not reflect the effect of each step energy dissipation. In the paper, method combining model test and numerical calculation is adopted for analyzing the influence of pure step per width discharge, step height and slope on energy dissipation rate. Research shows that pure step energy dissipation rate has better linear relationship with discharge and slope. Both parameters can be used for studying pure step energy dissipation characteristics.

Key words:step; spillway; flow discharge; energy dissipation rate

中图分类号：TV651.1

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2015)12-0052-03

DOI:10.16617/j.cnki.11- 5543/TK.2015.12.015