台阶式溢洪道消能率影响因素分析

秦广莉

（新疆塔里木河流域阿克苏管理局，新疆阿克苏843000）



台阶式溢洪道消能率影响因素分析

秦广莉

（新疆塔里木河流域阿克苏管理局，新疆阿克苏843000）

摘要：台阶式溢洪道利用台阶改变水流方向，导致水流动能耗散，对提高溢洪道消能效果具有重要意义。与光滑溢洪道相比，台阶式溢洪道的消能率更高，因此在水利工程中得到广泛应用。台阶式溢洪道消能效果主要用消能率衡量，与光滑溢洪道比，台阶式溢洪道的水力参数更加复杂。采用室内试验与理论分析耦合方法，分析了台阶式溢洪道台阶高度、流量、坡度对消能率的影响。研究表明：其它参数相同时，台阶式溢洪道长度增加，消能率增加；单宽流量增加，消能率减小；台阶高度增加，消能率增加。

关键词：台阶式溢洪道；影响因素；消能率

台阶式溢洪道消能效果主要用消能率衡量，与光滑溢洪道比，台阶式溢洪道的水力参数更加复杂。光滑溢洪道的消能率很低，消能效果远小于台阶式溢洪道［1-2］。本文研究的台阶式溢洪道为中型水库泄洪消能通道。该水库枢纽工程由高72.2m的双曲拱坝，高58.6m水库进水口，引水洞、消能电站及导流洞等建筑物组成。水库是以防洪、农业灌溉为主，兼顾发电的中型水库。进水口底高程为241.5m，顶高程为299.60m，高差58.10m，该水库设计采用台阶式溢洪道，后接挑流鼻坎及下游尾水渠。

目前，台阶式溢洪道消能率计算主要是参考光滑溢洪道的计算方法，没有反映出台阶对消能的贡献［3］。台阶式溢洪道的消能效果比光滑溢洪道好，从工程角度看，研究台阶式溢洪道消能率具有重大意义［4］。基于国内外研究情况，本文采用室内试验与理论分析耦合方法，分析了台阶式溢洪道台阶高度、流量、坡度对消能率的影响。希望为今后台阶式溢洪道设计及消能率计算提供参考。

1　台阶式溢洪道消能率

台阶式溢洪道消能效果优于光滑溢洪道，特别在小单宽流量下，台阶式溢洪道的消能效果更加明显［5-6］。光滑溢洪道也存在粗糙度，因此其本身也具有一定消能率，但台阶式溢洪道分为光滑消能率和纯台阶消能率。光滑消能率与同长度的光滑溢洪道相同，因此只有纯台阶消能率较大时，台阶式溢洪道的消能效果才较为明显。因此，在建立试验台时，在光滑溢洪道的基础上加装台阶组成台阶式溢洪道模型，并采用连续性方程、动量方程和能量方程对该模型进行求解，得出模型的能量损失［7］。假设台阶式溢洪道进口总能为E1，出口总能量为E2，则溢洪道的能量损失为：

消能率为：

进口总能：

出口总能：

式中：Z1为上游断面的高程；H1为上游水位；H2为下游水位；v1为上游平均速度；v2为下游平均速度；α为流速系数，本文取1；θ为坡角。

流量相同时，随着溢洪道长度增加，消能率逐渐变大，且增加速度逐渐变快，说明台阶式溢洪道内部水流剪切作用剧烈，与光滑溢洪道相比，其具有较大的沿程阻力；长度相同时，随着流量增加，消能率逐渐降低。

2　台阶式溢洪道消能率影响因素

2.1 台阶高度对消能率影响

前文提到，台阶式溢洪道消能率影响因素主要有台阶高度、流量、坡度、溢洪道长度等。因此首先研究台阶高度的影响，为了保证试验的精确性，采用单一变量法进行研究，取溢洪道坡角θ =35°，溢洪道流量为q=21.2m3/s·m，台阶高度分别为0.5m、1m、2m［8］。根据试验数据，绘制台阶式溢洪道消能率与流程长度L的散点图，见图1。

图1　台阶高度对溢洪道消能率的影响

由试验结果可见，流量相同时，不同台阶高度对溢洪道消能率的影响不大，相同长度处的3个试验点基本重合，最大差值仅为8%。由此说明台阶高度对台阶式溢洪道消能率的影响不大。从图1看，消能率与流程长度呈现较好的线性关系，通过拟合发现二者的相关系数为0.996。试验结果表明：台阶高度对台阶式溢洪道消能率的影响不大，台阶高度增加后，消能率只是略微增大。

2.2 流量对消能率影响

研究流量对台阶式溢洪道消能率的影响，同样采用单一变量法，取坡角为θ=35°，台阶高度设置为1m，由于当前该水库单宽流量为35.7m3/ s·m时仍不能满足最大洪峰的泄洪需求。因此，对溢洪道模型进行试验研究时，取台阶式溢洪道单宽流量为21.2m3/s·m、35.7m3/s·m、46.7m3/s· m、62.2m3/s·m，合计4种试验工况。在试验台上对4种流量进行测量，得出不同长度处的总能，进而根据式（2）计算消能率，并根据计算结果绘出台阶式溢洪道消能率与长度的关系曲线，见图2。

图2　流量对纯台阶消能率影响规律

由图2可知，流量相同时，随着流程长度的增加，溢洪道消能率逐渐变大，除0～10m外，其余基本为线性关系，相关系数为0.998。长度相同时，发现4种工况的试验值有所差别，L =120m差别最大，达4.5%。单宽流量越大，关系曲线越接近直线，特别是q=46.7m3/s·m和q=62.2m3/s· m，两个工况的关系曲线基本重合，说明单宽流量到达一定值后，溢洪道消能率已达到上限，再增加单宽流量，消能率变化不大。

2.3 坡度对消能率影响

同样采用单一变量法，台阶高度为1m，单宽流量为21.2m3/s·m，坡角取32°、38.7°、55°三种试验工况，研究不同竖直高差下坡脚与消能率的关系。竖直高差是指第一个台阶到当前台阶的高度差。坡度与消能率的关系曲线见图3。

图3　坡度与消能率的关系曲线

试验结果表明，竖直高差相同时，坡度越大，消能率先增加后降低，且三种试验工况的测量值偏差较大，最大偏差可达12.2%。因此，坡度对台阶式溢洪道消能率的影响最大。当坡角相同时，竖直高差与消能率的关系曲线不再是直线，而是无规律的曲线，因为坡度对溢洪道的影响较为复杂。按照试验结果，本文设计的溢洪道坡度为38.7°时，消能效果最好。

2.4 流程长度对消能率的影响

由上述分析可知，消能率受坡角的影响较大。相同高程差下，坡角不同，溢洪道的流程长度也会有所差异，对流程长度对消能率的影响作进一步分析。图4给出台阶高度为1m，流量为21.2m3/s·m时，流程长度与消能率的关系曲线。

图4　流程长度对消能率的影响

试验结果显示，随着流程长度的增加，台阶式溢洪道消能率逐渐增大，水流在经历了80级台阶后的消能率达80%，而一般光滑溢洪道的消能率仅为35%左右。台阶式溢洪道的消能效果明显优于光滑溢洪道，可对下游河段和消力池起到保护作用。

3　结语

台阶式溢洪道的消能效果比光滑溢洪道好，从工程角度看，研究台阶式溢洪道消能率具有重大意义。基于国内外研究情况，采用室内试验与理论分析耦合方法，分析了台阶式溢洪道台阶高度、流量、坡度对消能率的影响。研究表明：其它参数相同时，台阶式溢洪道长度增加，消能率增加；单宽流量增加，消能率减小；台阶高度增加，消能率增加。但由于台阶式溢洪道的水力特性十分复杂，模型试验仅能作定性分析，因此还需深入研究。希望本文研究结果可为台阶式溢洪道设计提供帮助。

参考文献

［1］杨吉健，刘韩生，张峰，文明宜，安梦雄.台阶式溢洪道消能规律［J］.排灌机械工程学报，2015（02）：123-127.

［2］张生财.新疆某水库溢洪道布置方案比选［J］.水利规划与设计，2015（03）：83-85.

［3］张志昌，徐啸.台阶式溢洪道非掺气水流水面线的计算［J］.水利水运工程学报，2012（01）：30-35.

［4］李仲钰，谢新生.浅谈台阶式溢洪道的应用原理及应用前景［J］.陕西水利，2013（01）：79-80.

［5］李江，王健.布尔津山口水电站围堰型式选择与风险分析［J］.水利规划与设计，2014（08）：73-76 +94.

［6］杨伟，高菊容，王和鑫.大中型水利工程安全生产管理工作刍议［J］.水利技术监督，2014（05）：26-28.

［7］齐文彪.横山水利枢纽工程非直线型多级跌坎溢洪道［J］.水利技术监督，2008（04）：62-64.

［8］周康.水库大坝溢洪道施工及渗流控制探析［J］.内蒙古水利，2015（03）：44-45.

作者简介：秦广莉（1966年—），女，工程师。

收稿日期：2015-08-29

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.018

中图分类号：TV651

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）02-0049-03