台阶式溢洪道消能效果实例研究

严 培

（陕西省水工程勘察规划研究院,陕西 西安 710003）

1 前言

将传统的光滑溢洪道的泄槽设计为台阶式,外观看似台阶状,故而称之为台阶式溢洪道。其与一般光滑溢洪道相比,显著特点为便于施工,工期短,台阶溢流面上掺气较多,摩阻力大,因此消能率高,可极大缩短溢洪道下游所需消能工的尺寸,从而减少工程规模及投资[1]。

工程实例采用台阶式溢洪道距今已有2500 多年的历史,其最早是应用于跌水及塘坝工程上。直至20 世纪60 年代末有的国家开始将其使用于中、小型水利工程[2]。20 世纪80 年代,随着RCC 的推广应用,由于台阶能结合坝体上升,方便施工,且薄水舌容易掺气减蚀,RCC 台阶溢洪道得到了迅速发展,最早应用于美国的上静水坝。直至1984 年中国开始陆续使用台阶式溢洪道,例如20 世纪60 年代丹江口水库溢洪道泄槽采用的台阶式；90 年代的大朝山水电站溢流坝、新世纪中期的水布垭水库溢洪道均采用了台阶式结构,其结果表明应用台阶式结构的效果均较好,且经多年运行,整体运行情况良好。本文根据龙王沟水库溢洪道水文资料及水力计算结果,对两种工程消能方案光滑面溢洪道和台阶式溢洪道的原理及消能率进行对比分析。

2 常见消能工型式

消能设施的布置型式根据工程具体情况经技术经济比较后确定,一般软土地基上,承受水头不高,且下游抗冲能力较低,一般工程中较多采用底流式消能,消能型式主要有突槛式消力池、下挖式消力池或综合式消力池。但一般工程中光滑溢洪道消能率仅有40%左右,故下游防冲消能设施体型较大,既不经济,消能效率也不理想。

面流式消能主要有戽斗面流式和跌坎面流式两种类型,其应用条件为：下游尾水较深变化较小,河床及两岸岸坡的抗冲能力较强的情况,且多采用跌坎面流式消能,跌坎面流式消能是将高速水舌用跌坎导向下游水面。经跌坎后,水舌沿纵向扩散,在其底部形成横轴漩滚,通过表层主流与底层漩滚之间的相互剪切、掺混作用达到消能目的,但这种消能方式对尾水位的变化较为敏感,适用的条件也比较苛刻。

第二种消能方式为挑流式消能,其适用条件为：溢洪道承受的上游水头较高,且下游河床及岸坡为坚硬岩体。该消能方式是利用挑流鼻坎,将下泄急流抛向空中,使水流向下游河道进行挑射,射流在空中形成紊动、扩散和掺气现象,以此来消除部分能量,消能后的水流跌落到离鼻坎较远的河槽中,此过程中消能是在冲刷坑和尾水组成的水垫中进行的。因此挑流式消能亦由三部分进行消能,即下泄急流沿挑流鼻坎边界的摩擦消能；射流与空气发生掺气、摩擦、进而扩散消能；射流后落入下游河道尾水中的淹没紊动扩散消能。此消能方式消能率约为20%,主要适用于中、高水头建筑物消能。

3 台阶式溢洪道消能原理

由上述第2 章可知,光滑溢洪道的泄槽主要是依靠水跃在陡坡与缓坡交界处进行消能,台阶式溢洪道则是在泄槽台阶上就可消除大部分能量[3]。泄槽内的台阶使得陡槽粗糙度增加了,相邻台阶间的落差跌流使得在下一级台阶上产生较为稳定的低压漩涡；从另一个角度理解是下泄的水流在台阶的坎顶处将持续产生小漩涡,并卷入大量空气,进而加剧了下泄水流的紊动现象,加速了泄槽表面紊流边界层的发展。在一定的单宽流量下,下泄水流在各个台阶间水气与水流发生强烈掺混作用,从而导致紊动不断加剧、掺气逐渐增加,进而消散了部分水流能量,陡槽内的水流条件得到改善,因此下游消能防冲设施也相应得到优化。

3.1 水流流态

通过台阶式溢洪道的水流,可分为两种典型流态[4]：水舌流和滑移流,见图1。

图1 台阶式溢洪道

（1）水舌流流态。当坡角小于27°或小流量时,在跌落区内产生完全水跃或不完全水跃。H.Chanson 认为[5],流量较小时较容易发生完全发展的水跃型水舌流,其临界值为：

式中：dc为临界水深,m；h、l 分别为泄槽台阶的步高、步长,m。

此式成立条件为0.2 ≤h/l ≤6。

（2）滑移流流态。随着流量或坡角的加大（坡角大于27°）,可能由水舌流流态过渡到滑移流流态,临界值为：

当dc/h＞（dc/h）特时,出现滑移流流态。

3.2 水流掺气

（1）水舌流的掺气。在水舌流流态中,各个台阶上跌落点以及下游的水跃处是发生气水交换的主要位置。每个单一台阶的掺气率为：

对于具有同等特征的N 个台阶泄槽的掺气率可表示为：

式中：E水舌为入射的水舌掺气率；E水跃为水跃的掺气率；Ei为单个台阶的掺气率。

（2）滑移流的掺气。水流在经过溢流表面未掺气时一般是透明体,当水流边界层逐渐发展至水面出现初始掺气点时,水流表面开始掺气,呈乳白色。一般初始掺气断面开始时仅水舌内部掺气,在经若干距离后,发展为全断面掺气,从而形成均匀掺气水流。

敞泄条件下,自由表面的掺气率可用下式估算：

式中：qw为边界层达到自由表面并且掺气尚未出现时的单宽流量,m3/（s·m）；A 为含气量、温度和渠坡的函数,在计算范围内,A=3～9；（qw）c为特征流量值,根据上式计算；L溢为整个溢流面长度,m；α为溢流面的坡角。

3.3 消能

目前,国内外水利工作者大都认为,在中小型水库且单宽流量较小的工程中,台阶式消能的消能效果可得到显著提高。相比于一般光滑溢流面,在泄槽结构、高度和下泄单宽流量相同时,台阶式消能的末端流速可降低约50%,水流能量减少约70%,与此同时消力池的长度、池深也可明显缩短。但是,当q＞100 m3/（s·m）左右时,在泄槽台阶上的水流空化数将减少,因此可增大空蚀破坏的几率。另外,水流流速也将沿程增大,在泄槽末端流速达到最大值时,空蚀破坏的现象更为显著。

4 工程实例

4.1 工程概况

龙王沟水库位于汉中市洋县戚氏街道办龙王沟村,所在河流为汉江左岸二级支流龙王沟上,坝址距汉中市洋县14 km,水库建成后,由汉中市洋县戚氏街道办负责管理。龙王沟水库于1972 年10 月开工建设,由洋县人在当地解放军帮助下自发修建,于1973 年6 月建成。该水库由大坝、放水设施、溢洪道组成,是一座以灌溉为主,兼顾养殖的V 等小（2）型水利枢纽工程。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）,正常运用标准为20 年一遇洪水,设计洪水位为645.57 m,相应泄量为1.96 m3/s；非常运用为200 年一遇洪水标准,校核洪水位为645.94 m,最大泄量为4.18 m3/s。现状溢洪道泄洪能力不足,必须进行改造,以加大其泄洪能力,保障水库运行安全。

4.2 溢洪道布置

龙王沟水库除险加固溢洪道由五部分组成,即进口段、溢流堰段、泄槽段、消力池段和退水渠段。

泄槽段总长227.6m。泄槽分为七段,桩号溢0+005.0～溢0+013.9 段为1#泄槽,底坡为1∶12；桩号溢0+013.9～溢0+050.4 段 为2# 泄槽,底坡为1∶40；桩号溢0+050.4～溢0+091.4 段为3# 泄槽,底坡为1∶18；桩号溢0+091.4～溢0+117.8 段为4#泄槽,底坡为1∶6.0；桩号溢0+117.8～溢0+192.5 段为5#泄槽,该段为缓坡段,底坡为1∶155；桩号溢0+192.5～溢0+218.4 段为6#泄槽,底坡为1∶40；桩号溢0+218.4～溢0+227.6 段为7#泄槽,底坡为1∶1.5。

4.3 溢洪道泄槽段水力计算

按照起始断面水深计算公式得到桩号溢0+005.0 处水深为0.506 m,继而通过泄槽水面线计算得到桩号溢0+218.4 之前所有断面的水面线及边墙高度。

现状桩号溢0+218.4～溢0+227.6 段采用DN300 和DN400的管道泄洪,管道洪水一部分直接排入下游河道,一部分排入右岸池塘,供现状养鱼用,该池塘建有溢洪道,底宽5.7 m,经计算现状两根钢筋混凝土管道过流能力采用非淹没压力流计算其最小过流能力为1.54 m3/s,无法下泄校核洪水流量,故本次将原管道拆除,该段考虑两种设计型式：阶梯式泄槽及光滑面泄槽。

方案一：光滑面泄槽

根据《溢洪道设计规范》[6]水面线计算方法可求得桩号溢0+218.4 处水深为0.563 m,桩号溢0+218.4～溢0+227.6 段比降为1∶1.5,根据泄槽水面线计算方法得到该段水面线计算表见表1。

表1 光滑面桩号溢0+218.4～溢0+227.6 段水面线计算表

根据《溢洪道设计规范》,消力池设计流量与校核洪水下泄流量一致。消力池池宽与溢洪道泄槽末端一致,即b=1.2 m。

方案二：台阶式泄槽

设计该段台阶步高0.6 m,步长1.2 m。

根据《水工计算手册》,经计算dc/h=1.82,（dc/h）临=0.222,（dc/h）特=0.827,（dc/h）＞（dc/h）特,故该段水流流态为滑移流流态。

根据H.Chanson 计算方法,将台阶看成糙体,其糙度以k*=hcosα表示,摩擦系数f 以参数F*表示：

出现表面掺气长度：L1=k*×0.979（sinα）0.0796F*0.713

该断面水深：

该断面流速：

经计算,L1=13.0 m＞12.2 m（设计泄槽长度）,故未出现表面掺气,该段面水深d1=0.647 m,流速v1=8.19 m/s。

末端效能率采用下式计算：

式中：H堰为末端以上泄槽高,m；H 为末端以上水头,m。

经计算,效能率η=0.511。

根据泄H.Chanson 计算方法得到该段水面线计算表见表3。

根据《溢洪道设计规范》,消力池设计流量与校核洪水下泄流量一致。消力池池宽与溢洪道泄槽末端一致,即b=1.2 m。

根据表1 和表3 可知,该段泄槽末端断面流速可从13.14 m/s下降至5.39 m/s,断面比能可从9.47 m 下降至2.09 m；结合表2 和表4 可知下游消力池尺寸大为减小,光滑面泄槽计算的消力池池长为12.85 m,台阶式泄槽计算的消力池池长为4.9m,根据上述计算可知台阶式泄槽可极大减小下游消力池尺寸,增大下游消能率。

表2 消力池尺寸计算表

表3 台阶式泄槽桩号溢0+218.4～溢0+227.6 段水面线计算表

表4 消力池尺寸计算表

5 结语

本文从工程实例出发,采用H.Chanson 计算台阶式泄槽水力要素及采用常规方法计算光滑面泄槽的水力要素,并以此为依据设置边墙高度及消力池尺寸。结果表明,光面溢洪道的消能主要是通过陡坡下游产生水跃进行消能,而台阶式溢洪道则依靠坡面的台阶就能消除部分能量,在同样的水力条件下,台阶式溢洪道与光面溢洪道相比较,其更易降低陡坡末端流速,缩小下游消能设施的尺寸。本文的实际工程应用可为后续的台阶式溢洪道水力特性研究提供重要的参考价值,为工程应用提供科学理论依据。