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）

台阶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。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2个参数可用于研究纯台阶消能特性。

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，东经119°29′，北纬41°04′，该水库是以防洪、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1.0m，堰顶高程405.4m，泄流净宽74.44m，最大泄流量为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。堰前15m至挑流鼻坎底板均为钢筋混凝土结构，厚度30cm。引渠：底宽为80m，总长60m。溢洪道边墙为浆砌石，顶宽0.8m，底宽1.6m，高6.1m，趾高0.5m，宽0.3m。目前溢洪道导流墙已遭破坏变形，经计算在正常水位条件下抗倾覆、抗滑动均不能满足要求。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。

目前，台阶式溢洪道在水利工程中广泛应用，其研究方法主要包括模型试验和数值计算，研究台阶溢洪道水力特性意义重大［1-2］。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［3］。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［4-5］。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［6］。在已知水力参数的情况下，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。

1消能率计算

为了便于区分，将光滑溢洪道消能率记为光滑消能率，台阶式溢洪道消能率分为光滑消能率和纯台阶消能率2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［7］。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：

光滑消能率：

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

台阶式溢洪道的能量损失为：

纯台阶消能率：下，随着单宽流量增加，光滑消能率逐渐减小。菩萨庙水库对应的最大泄流量为1823m3/s，其最大单宽流量为24.5m2/s，因此测量光滑消能率时共设计了4种流量工况。表1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。

表1台阶式溢洪道光滑消能率

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21.2m2/s，台阶高度分别为0.5、1、2m［8］。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，如图1所示。

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24.5m2/s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8.1、21.2、35.7、46.7、62.2m2/s。根据试验数据，绘制纯台阶消能率与流程长度的关系曲线，如图2所示。

图2单宽流量对纯台阶消能率的影响规律

试验结果表明：单宽流量一定时，随着流程长度的增加，纯台阶消能率逐渐变大，2者基本呈线性关系，相关系数在0.997以上。相同断面处，单宽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=8.1m2/s外，其余单宽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=8.1m2/s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。目前，普遍认为光滑消能率随着单宽流量的增大而减小，但是图2中并不能体现，因为台阶区域出现漩涡，上部水体依然像光滑溢洪道一样流动，然而下部水体与壁面间存在较大的剪切力致使消能效果加强。

2.3坡度对纯台阶消能率的影响

取坡角为32°、38.7°、55°，台阶高度为1m，单宽流量为35.7m2/s，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影响规律如图3所示。

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，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：

式中：η—台阶溢洪道消能率；Δh台—纯台阶累计耗散的水头，m；Δh—台阶式溢洪道消耗的总水头，m。

图4给出了台阶高度为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

相同流量下，台阶数量越多，相对消能率越小。此时，纯台阶消能率可视为常数，台阶消能效果不变，而台阶数量越多，水流内部剪切力越大，溢洪道沿程阻力越大，因此相对消能率越小。不同流量下，相对消能率变化越大。q=21.2m2/s时，单位宽度相对消能率的下降梯度为0.49%；而q=46.7m2/s时，单位宽度相对消能率的下降梯度为0.28%。说明单宽流量增加，纯台阶消能比重增大，此时光滑部分消能效果虽然下降，但是台阶消能效果并未改变。

3结论

台阶溢洪道水流特性十分复杂，消能率是反映台阶式溢洪道消能效果的重要指标，传统消能率并不能完全反映效能效果。本文针对此问题进行研究，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、单宽流量影响，但受流程长度和坡度影响。纯台阶消能率与单宽流量、坡度间存在较好的线性关系，这2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。

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TV651.1

A

1008-1305（2016）03-0070-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.028

2016-04-01

董冰霜（1978年—），男，工程师。