台阶式溢洪道纯台阶消能率分析

葛宇

【摘要】伴随着社会经济的发展，我国越加重视各项工程的建设，水利工程是我国重点建设的工程之一。为适应社会的现代化、科技化发展，各种工程技术被不断更新完善，作为水利工程中的泄洪消能的重要建设工程，也逐渐由过去的光滑的溢洪道转变为了如今的台阶式溢洪道，台阶式溢洪道具有较强的消能力，施工方便等特点。

【关键词】台阶；溢洪道；消能率；影响因素

前言：

台阶式溢洪道主要是指将常规溢洪道的光滑的溢洪面改为一系列的台阶进而使得水流形态变化，提高消能率的一种方式[2]。与常规型的光滑溢洪道相比，台阶式溢洪道具有施工方便、效能率高等优势，尤其是中小单宽流量下消能优势更加明显，适用于我国多数水利工程中。台阶式溢洪道的消能率一致是国内外水利工程研究的重点，各国研究者对其研究颇多且取得了一定的成绩，值得一提的是，各国学者所研究的成果中均不可避免的采用了消能率这一概念，由此可见，效能率的重要性。

1、实际案例分析

某水库位于某市的大河上游位置，地理位置在东经119°29′、北纬41°04′，此水利工程的建设主要以防洪、灌溉为主，并配备有中型可发电水库。此水库在建设期间采用的是光滑式溢洪道，a型驼峰堰，堰高1m，堰顶高程405m，泄流净宽为74.5m，最大泄流量为1820m3/s，总长为103m，堰前水位为409m，堰后陡槽底坡为1：3.5，后接挑流鼻坎以及下游尾水渠[2]。目前，由于时间的冲刷，溢洪道导流墙已变形破坏，已无法满足抗倾覆性等的各项要求。相应技术人员已拟定了加装阶梯式溢洪道，以此增加泄流量。

台阶式溢洪道的水流状态

在台阶式溢洪道中，共有两种水流状态，分别为滑行水流和跌落水流[1]，不同流态的形成和台阶的形状、尺寸、以及台阶的深度息息相关，当台阶式溢洪道的流量、坡度增加时，水流将由跌落式水流状态向滑行式水流状态转变。本文主要介绍了滑行水流时纯台阶消能率与坡度、单宽流量、高度之间的关系。

在其他影响因素相同的情况下，对光滑溢洪道模型进行加装台阶，采用连续性方程、动量方程能量方程等求解台阶模型的流速与水深。在计算中，相应人员将模型末端作为基准，进出口的总能量为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： Egi = E0 - Egi

光华消能率为： 0=Egi /E0×100%

台阶式溢洪道的能量损失为： Ei = E0 - Ei

纯台阶消能率为： ?=Ei -Egi /E0×100%

实验分析

为全面了解纯台阶消能率，本文分别在30°、40°、54°三种坡度进行台阶式溢洪道模拟实验，分析其不同的单宽流量q、台阶高度a、坡度θ、流程长度L下的纯台阶消能率的变化规律，考虑水流紊动的强烈，本文在每断面间取6组数据平均值。实验所得数据如表1：

台阶式溢洪道效能率的影响因素

4.1、台阶高度的影响

为了研究台阶高度对溢洪道消能率的影响规律，实验人员在台阶坡度均为38°，单宽流量统一为21.2㎡/s时，通过台阶高度的不同试验了台阶消能率的影响，实验人员选取的台阶高度分别为0.5m、1m、2m三种高度，在实验中，三种高度下泄的水流为滑行水流，实验人员通过实验现象的观察与上述公式的计算，得出了三种高度消能率的数据，为更好将所得数据进行比较，研究员将所得数据绘制成图表，如图1所示。由图可知，纯台阶消能率与滑行水流流程长度呈现良好的线性关系，根据最小二乘法拟和结果，两者间的相关系数大于0.9，可见滑行水流时台阶高度对消能率几乎毫无影响。

4.2、台阶坡度的影响

研究員得出台阶高度与消能率几乎毫无影响的结果后，开始研究台阶坡度与消能率间的关系，通过计算可知，当a=0.6m，q=35.6㎡/s时，溢洪道在落差同为h的情况下，选取了坡度分别为30°、40°、54°进行消能率的计算，最终得出，当台阶坡度越小时，纯台阶消能率越大，由此可见，在修建台阶式溢洪道时，可适当的减小溢洪道的坡度来增加消能率，使其更有效的发挥台阶式溢洪道消能作用。

4.3、单宽流量的影响

研究员了解到台阶坡度的变化对台阶消能率的影响较大后，开始对单宽流量与台阶消能率的影响规律进行研究，研究员将台阶溢洪道的坡度定义为38°，台阶高度为1m，对不同的单宽流量下的消能率进行研究，当台阶高度流程长度相同的情况下，当单宽流量逐渐增大时，台阶式溢洪道的纯台阶消能率在逐渐减小，表明台阶溢洪道的消能率与单宽流量间的关系。

总结语

本文主要以台阶式溢洪道为主要研究对象，通过将台阶式溢洪道与光滑式溢洪道进行对比研究，得出了台阶式溢洪道消能率的计算公式，并通过对台阶式溢洪道的高度、坡度、以及流量等与纯台阶消能率关系的实验与计算，得知台阶高度、坡度、流量的变化对台阶消能率的影响。综上所述，纯台阶消能率具有规律良好、方便实用的优点，其对我国水利工程的发展具有重要意义。

参考文献：

[1]董冰霜. 台阶式溢洪道纯台阶消能率变化规律研究[J]. 中国水能及电气化， 2015（12）：70-72.