浅谈台阶式溢洪道的应用原理及应用前景

李仲钰 谢新生

（四川大学水利水电学院 四川 成都 601165）

台阶式溢洪道采用的是将光滑溢流面改建成台阶的形式，一方面水流通过其底部时发生横向旋滚、掺气及剧烈的紊动，使水流很大一部分能量消耗在此溢流面上，从而有效的减少了下游消力池部分的结构尺寸，降低工程规模及工程投资。该原理在美国上静水坝的溢洪道首次进行了模型试验，结果表明，它的消能率超过了光面溢洪道的75%，溢洪道末尾要求的消力池长度只有光面溢洪道的50%。另一方面，随着施工技术的不断完善和发展，台阶式溢洪道的施工也有了较大的发展，不仅施工进度大大加快，而且施工难易程度大大降低，从而使工程提前完工并发挥工程效益。我国在台阶式溢洪道方面也有几十年的历史，例如上世纪60年代开工建设的丹江口水库溢洪道，上世纪90年代开始建设的大朝山水电站溢洪道以及新世纪中期开始建设的水布垭水库溢洪道等都得到了成功的运用，并且经多年运行，整体运行情况良好。但是模型试验以及已运行工程实践表明，台阶式溢洪道只限于在小的单宽流量及低水头上能起到良好的消能效果。对于单宽流量超过50m3/s或在高水头情况下，消能效果会随着流量及水头的增大而减小。另外，尽管台阶式溢洪道受到世界各国水利界人士的强烈关注，并进行了大量的试验研究，但是还没有形成一套比较系统的研究方法。本文针对台阶式溢洪道的消能原理及水力特性进行了分析。

1 台阶式溢洪道的消能原理

台阶式溢洪道的跌坎通常可做成两种形式，分别是连续的内凹式阶梯和间断式的外凸型阶梯（如图1、图2所示）。

通常情况下内凹式阶梯多用于较陡的溢流面上，而外凸式阶梯多用于较缓的陡槽溢流面上。阶梯消能工促进水流消能的机理主要是陡槽面的阶梯增加了溢流槽面的“表面糙率”。当泄流流过溢洪道陡槽段阶梯时，一方面由于阶梯产生落差跌流，在阶梯跌坎下游内部产生稳定的低压漩涡；另一方面阶梯跌坎顶不断产生小漩涡，并卷入大量空气，由此加剧了泄流的紊动，加速了坝面紊流边界层的发展。在一定的单宽流量条件下，沿程水气与水流充分掺混形成稳定的掺气水流，槽面水深增大，流速相应减小，故耗散了泄流的大量能量，大大增加了泄流的消能率。

而在一般情况下，台阶溢洪道的粗糙率n可由曼宁-斯图格勒公式计算：

式中，Δ为绝对粗糙高度，这里取Δ=a·cosθ，a为台阶高度，计算中以米计。

2 台阶溢洪道水流流态

根据流过台阶式溢洪道水流的不同型式，在这里可以将溢洪道水流流态分为三种流态，即滑行水流、过渡水流、跌落水流（分别见下图a、b、c）。

如各级台阶被水流充满并在各级台阶上形成稳定的旋转，靠近水流面旋转方向与水流方向相同，这种流态即为滑行水流；当各级台阶有空腔存在，在每级台阶处都能形成近似的静水池，水股在每级台阶上游较大的流速方向的改变，我们称这种水流流态为跌落水流；而介于这两种流态之间的水流流态我们称为过渡水流，过渡水流台阶溢洪道上旋转体与空腔交替存在。正是这种阶梯跌坎增加了溢洪道表面的光滑度以及水流的紊动和掺气作用，从而使水流能量大大消耗在了溢洪道上，进而对下游消能设施的布置及造价起到了大大减少的目的。

图1 内凹式连续阶梯

图2 外凸式不连续阶梯

通过研究分析，Yasuda[1-2]认为可以用以下公式来划分∶

(1)由跌落水流进入过渡流的界限(跌落水流的上限)为∶

(2)由过渡水流进入滑行水流的界限

(滑行水流的下限)为∶

其中，hc为溢洪道泄槽进口处临界水深，t为台阶高度，θ为泄槽倾斜角度。

3 影响台阶式溢洪道消能的因数及消能率

在经过Christodoulou、Yasuda等人所做的模型试验观察综合分析发现，影响台阶式溢洪道消能因数主要有单宽流量、溢洪道坡度、台阶尺寸及个数。虽然很多学者在这方面做了大量研究，但是到目前为止还没有形成一种统一说法，所以还有待于继续研究。例如四川大学陈群[3]教授通过数值模拟及水工模型试验相结合的方法对溢洪道的消能进行研究得出影响其消能效率的因素有以下几点：（1）单宽流量增大，消能效率减少；（2）溢洪道坡度变陡，消能效率减少；（3）台阶数量增加，消能效率增大。对于台阶尺寸来讲，一般是存在一定规律，总结如下：当流量较大时，在1m～2m的阶梯高度范围，消能率随阶梯尺寸的增大而增大；但当阶梯高度大于2m后，消能率随阶梯尺寸的变化很小。当流量较小时，阶梯高度为2m时消能率最小，阶梯尺寸再增大或减小消能率都增大。

通过研究发现，台阶式溢洪道的效能率要远远大于光面溢洪道，水流较大部分能量都能消耗在溢流过程中。梯阶式溢洪道的效能率计算公式为：

式中，Hmax和H1分别为坝前断面总能量和坝址处的总能量，η为消能率。

Chanson[4]于1994年在综合前人研究的基础上提出了溢洪道消能比较完整的公式。

（1）开敞式溢洪道

（2）闸控溢洪道

对于跌落水流

（1）开敞式溢洪道

（2）闸控溢洪道

式中，H为水头损失；Hmax为总水头；Hdam为泄槽进口到下游坝址的距离；f为非掺气水流的摩擦因数；y0为进口收缩断面水深；H0为堰顶水头；D为水力直径(m)；θ为泄槽的倾斜角度；h0为在台阶边沿处垂直泄槽坡面的均匀流水深(m)。

田嘉宁[5-6]则通过理论分析推到得出各个坡度下滑行水流和跌落水流都适应的一个经验公式：

其中，

式中，h1为跃前断面能量损失；hmax为上游断面总能量；hdam为泄水建筑物高。

4 工程实例说明

瓦窑堡水库位于黔江区城南街道境内阿蓬江右岸一级支流湘子江。规划瓦窑堡水库坝址位于城南街道境内，距黔江城区11km，坝址以上集雨面积38.5km2，河长16.4km，河道平均比降14.36‰。该水库是一座以城乡供水与农业灌溉为主，并有滞洪减灾以及改善湘子江上游生态环境等综合效益的水利工程。水库正常蓄水位580.00m，相应库容524.30万m3，校核洪水位583.18m，设计洪水位为580.57m，总库容629.05万m3。溢洪道孔口尺寸为2孔7m宽，堰顶高程574.5m，总长199.99m。工程按2%一遇洪水设计，相应流量324m3/s，相应单宽流量21.6m3/s；按0.1%洪水校核，相应流量591m3，相应单宽流量39.4m3/s。本工程在设计洪水、校核洪水以及小流量（30m3/s，单宽流量2m3/s）三种情况下分别对常规光面溢洪道以及台阶式溢洪道做了比较，最后得出本工程选用台阶式溢洪道更优。

（1）校核情况时：临界水深yc为5.4m，hdam为41.5m，台阶式溢洪道的效能率为62.1%。

（2）设计情况时：临界水深yc为3.6m，hdam为41.5m，台阶式溢洪道的效能率为71.3%。

（3）小流量时：临界水深yc为0.74m，hdam为41.5m，台阶式溢洪道的效能率为93.2%。

由此可以看出，对于台阶式溢洪道，随着流量的减少，其效能率将逐渐增大，基本能达到90%以上，从而大大减少了消力池前段收缩断面处的动力势能。收缩断面处越前水深增大，跃后水深进而减小，使消力池尺寸相比光面溢洪道消力池尺寸大为减小，节约了成本，缩短了工期。

5 台阶式溢洪道适用范围

通过研究以及工程实例分析发现，台阶式溢洪道更适应于小流量，此时水流表面掺气，台阶内部旋滚，消能效果显著。随着流量的增加，水流表面掺气逐渐减弱，只存在台阶内部旋滚，与光面溢洪道无异，台阶的存在就只相当于增加了溢洪道表面粗糙度，消能效果相比之前就会明显减弱，并且此时存在着台阶易遭空蚀破坏的危险。而且研究表明，当台阶尺寸不变的情况下，随着流量的增加，台阶溢洪道的消能率反而减低，通过其消能以减小下游水跃长度，减小消力池尺寸的效果不是很明显。

6 结语

以上只是简要的介绍了台阶式溢洪道的基本原理，大概分析了其使用范围，台阶式溢洪道在消能方面效果显著，有较长远的发展前景，但是到目前为止对其研究还很不统一，还有待于继续对其进行更深入更详细的研究，使其早日充分运用于工程实践，发挥其工程效益。

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[5]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.

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