阶梯溢流坝在左柏水库中的应用试验研究

程文磊，杨 庆，昌子多

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065;2.四川大学水利水电学院，四川成都610065)

0 前 言

目前，国内不少已建或在建水利工程的单宽泄量小于30 m3/(s·m)，坝高几十米左右，消能工多采取消力池。某些情况下单独依靠消力池消能需要下游消力池具有足够大的规模，因而增加了工程投资。随着阶梯消能工的发展，通过在坝面设置阶梯，利用阶梯的沿程消能，可减小消力池入池流速，从而减小下游的消能设施尺寸。阶梯消能工是利用水流在通过阶梯时，在阶梯凹角内形成一系列水平旋涡，水体的剧烈紊动使得旋涡水流和主流之间不断进行着动量交换[1]，由于水体具有粘性，不断地紊动剪切作用造成能量的损耗，从而达到消能的目的。

国内外学者对于阶梯消能工进行了大量系统性的试验。田嘉宁等[2]通过试验建立了阶梯水流流态的划分界限；陈群等[3]通过试验得出了单宽泄量、阶梯尺寸、坝坡、反弧段等对阶梯消能率的影响规律；伍平[4]通过试验发现在坡比范围1∶2～1∶3内，阶梯消能可达到60%；彭勇，张建民[5]等研究了前置掺气坎阶梯溢洪道的水力特性及掺气特性。

本文结合左柏水库工程资料，通过水工模型试验研究了前置掺气坎+调整段+阶梯段+反弧段+消力池这一体形下水流的各水力特性，得出当下泄单宽流量较小时，采用该体形可以显著减小下游消力池规模。试验获得的阶梯段均匀流水深、流速与相应单宽流量计算经验公式可为实际工程下游消力池体形设计提供参考。

1 工程概况

左柏水库总库容1 037万m3，属三等中型工程。水库正常蓄水位534.0 m，相应库容1 015万m3，设计洪水位(P=2%)534.0 m，校核洪水位534.67 m。堰顶高程529.0 m，设两溢流表孔，每孔净宽4.0 m。下游消力池设计底板高程469.8 m，最大水头差64.2 m，最大单宽泄量22.74 m3/(s·m)。试验模型为正态模型，按重力相似准则设计，模型比尺为1∶40，表1为试验工况。

表1 试验工况

2 试验成果

2.1 试验体形

试验初设体形为光滑溢洪道+反弧段+跌坎+消力池。该体形下下游消力池池长55.6 m，跌坎高度1.5 m，尾坎高度7.0 m。其在消能防冲工况下虽能够取得较好的消能效果，但消力池规模较大。体形改良后得到了前置掺气坎阶梯溢流坝方案。

前置掺气坎：阶梯溢流坝体形下下游阶梯段流速按坝高近似计算接近30 m/s，高流速情况下阶梯上水流紊动剧烈，台阶立面易出现负压，因此需设置前置掺气坎进行掺气保护，消除下游出现的空化空蚀问题。参照类似工程掺气坎应设置在流速20 m/s左右(断面作用水头约25 m)的位置，针对此工程在桩号坝纵0+019.99(距堰顶24 m)处增设掺气坎。鉴于水流单宽流量较小，Fr较高，拟定掺气坎挑坎高度0.3 m，坡度1∶10，通风井尺寸为1.0 m×1.0 m。

调整段：调整段的长度由掺气坎后空腔段+水流调整段。空腔段长度计算参考文献[6]。水流调整段长度近似取6～12倍坎顶水深，此处水深较小，水流调整段长度取3.0 m。整个调整段长度取16.0 m。

阶梯段：从调整段末端至反弧段起始点为阶梯段，阶梯外包线与原光滑溢流坝底板相契合。从形成稳定滑移流及工程运行考虑，台阶高度一般取0.6～1.2 m，本工程拟定阶梯高1.0 m，宽0.85 m，共设19级台阶。阶梯段长度主要由坝高决定，坝高越高，阶梯段长度越长，阶梯段的相对消能率越高。

反弧段：反弧半径应取6～12倍的反弧段起点水深，此处拟定反弧半径为15.0 m。

消力池：在试验过程中对新体形下的消力池尺寸进行调整，使其在获得较好的消能效果下尽量缩减消力池规模，最终得到的消力池尺寸为长度由55.60 m降至49.5 m，消力池底板上抬1.5 m至469.8 m高程，消力坎高度5.6 m(原尾坎高度7.0 m)。

2.2 各工况水力特性

2.2.1 水流流态

在各试验工况下，掺气空腔稳定，掺气槽内无积水，空腔长度约为11.0～12.0 m。水流经2.0～3.0 m的光滑溢流坝过渡后流入阶梯段。因掺气坎强迫掺气作用，在开始几级台阶上水流掺气充分。掺气发展区的水流水深沿程增加，经一定流程长度后水体变为水气混合的乳白色混合体，阶梯凹角产生旋滚，水深稳定，水流掺气充分形成均匀流。设计工况下阶梯段水流流态见图1；消力池水流流态见图2。

图1 设计工况阶梯段水流流态

图2 设计工况消力池水流流态

2.2.2 沿程水面线

在各个工况下，泄槽段由于增设掺气挑坎以及下游段设置阶梯，水深相比光滑溢流坝方案有所增加。阶梯段掺气发展区水深沿程增加；掺气均匀区水深稳定。

试验量测了不同单宽流量下阶梯段掺气发展区流程长度和掺气均匀区的均匀流水深、流速，具体情况见表2。为统一量纲，用临界水深hk描述单宽流量的变化。

式中，q为单宽流量，m3/s；g为重力加速度，取9.81，m/s2；动能修正系数α取1。

为了探讨不同单宽流量下阶梯段掺气发展区流程长度的变化规律，用L/hk这一无因次量进行刻画，具体如图3所示。图4为不同单宽流量下阶梯溢流坝体形与光滑溢流坝体形水流达到均匀流时的水深对比情况。

表2 不同单宽流量阶梯段各水力参数

注：K为掺气发展区占阶梯级数；L为掺气发展区流程长度；ht、Vt分别为掺气均匀区均匀流水深和平均流速。

图3 不同单宽流量下L/hk的变化规律

图4 不同单宽流量两种体形均匀流水深变化规律

由图3可以看出，不同单宽流量下L/hk约为5，即某单宽流量下，掺气发展区长度约为临界水深的5倍，这为阶梯段的长度设计提供了参考。

由图4可以得出，随着单宽流量增大，阶梯溢流坝阶梯段均匀流水深近似线性增大；相同单宽流量下，阶梯溢流坝相比光滑溢流坝均匀流水深有所增加，且单宽流量越大，水深增加越多。

针对本次试验，在单宽流量小于25 m3/(s·m)时，得出近似计算阶梯段均匀流水深的经验公式

2.2.3 沿程流速

在各工况下，测量了掺气坎挑坎末端、阶梯段、反弧段以及消力池的流速分布。相比于光滑溢流坝，阶梯段消杀了大量的水流能量，从而减小入池流速，在设计工况入池流速为17.58 m/s，光滑溢流坝方案为29.73 m/s。设计工况下消力池底板流场图见图5。

图5 下游流场(单位：流速m/s，尺寸cm)

图关系曲线

通过以上得到的阶梯段均匀流水深、流速与相应单宽流量的计算经验公式，参考“溢洪道设计规范”中有关消力池设计部分，即可近似获得下游消力池的设计尺寸。

表3 各工况消能率

2.3 试验成果

2.3.1 消能率

消能率的计算采用底下消能率计算公式

从表3可知，随着单宽流量增大，阶梯消能率降低，且单宽流量低于25 m3/(s·m)时，阶梯消能率近似线性变化。设计工况下(q=18.60 m3/(s·m))，阶梯消能率为46.95%，整体消能率为83.33%。

图7 单宽泄量与阶梯段消能率关系曲线

2.3.2 消力池规模

2、自身方面。小学是一个比较特殊的成长阶段，一般小学生的心理素质都不够强，自控能力也比强，如果遇到难度较大一点的问题，则可能出现畏惧、逃避、不自信和美元耐心等情况，从而产生自我怀疑的心理。

光滑溢流坝体形下，下游消力池尺寸为池长55.6 m，池深7.0 m，泄槽宽度10.5 m，计算得到消力池体积V1=4 086.6 m3；阶梯溢流坝体形下消力池尺寸为池长49.5 m，池深5.6 m，计算得到体积V2=2 910.6 m3。消力池体积减小28.7%。

3 结 论

结合左柏水库工程相关资料，通过对阶梯溢流坝体形下的各水力特性进行试验研究，得出如下结论：

(1)在小流量情况下，阶梯溢流坝体形阶梯段掺气发展区流程长度约为相应临界水深的5倍。

(2)单宽流量小于25 m3/(s·m)时，获得了阶梯段均匀流水深、流速与相应单宽流量的计算经验公式，可为下游消力池尺寸设计提供参考。

(3)在小流量情况下，阶梯消能工能够获得较高的消能率。试验测得19级阶梯(1 m×0.85 m，高×宽)在单宽流量接近20 m3/(s·m)时，消能率接近50%。且单宽流量小于25 m3/(s·m)时，阶梯消能率近似线性变化。

(4)阶梯溢流坝体形下，下游消力池规模相比光滑溢流坝减小28.7%。单宽泄量低于30 m3/(s·m)且坝高大于60 m的水利工程，采用试验研究体形可显著减小下游消力池规模。

参考文献：

[1] 杨庆. 阶梯溢流坝水力特性和消能机理试验研究[D]. 成都： 四川大学, 2002．

[2] 田嘉宁.台阶式泄水建筑物水力特性试验研究[D]. 西安： 西安理工大学, 2005．

[3] 陈群, 戴光清, 朱分清, 等. 影响阶梯溢流坝消能率的因素[J]. 水力发电学报, 2003(4): 96- 104．

[4] 伍平, 王波, 陈云良, 等. 阶梯溢洪道不同坡比消能研究[J]. 四川大学学报： 工程科学版, 2012, 44(5): 24- 29．

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[6] 杨永森, 陈长植, 于琪洋. 掺气槽上射流挟气量的数学模型[J]. 水利学报, 1996(3): 13- 21．

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