臺階式溢洪道消能率影響因素分析

秦廣莉

（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆阿克蘇843000）

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臺階式溢洪道消能率影響因素分析

秦廣莉

（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆阿克蘇843000）

摘要：臺階式溢洪道利用臺階改變水流方向，導致水流動能耗散，對提高溢洪道消能效果具有重要意義。與光滑溢洪道相比，臺階式溢洪道的消能率更高，因此在水利工程中得到廣泛應用。臺階式溢洪道消能效果主要用消能率衡量，與光滑溢洪道比，臺階式溢洪道的水力參數更加復雜。采用室內試驗與理論分析耦合方法，分析了臺階式溢洪道臺階高度、流量、坡度對消能率的影響。研究表明：其它參數相同時，臺階式溢洪道長度增加，消能率增加；單寬流量增加，消能率減小；臺階高度增加，消能率增加。

關鍵詞：臺階式溢洪道；影響因素；消能率

臺階式溢洪道消能效果主要用消能率衡量，與光滑溢洪道比，臺階式溢洪道的水力參數更加復雜。光滑溢洪道的消能率很低，消能效果遠小于臺階式溢洪道［1-2］。本文研究的臺階式溢洪道為中型水庫泄洪消能通道。該水庫樞紐工程由高72.2m的雙曲拱壩，高58.6m水庫進水口，引水洞、消能電站及導流洞等建筑物組成。水庫是以防洪、農業灌溉為主，兼顧發電的中型水庫。進水口底高程為241.5m，頂高程為299.60m，高差58.10m，該水庫設計采用臺階式溢洪道，后接挑流鼻坎及下游尾水渠。

目前，臺階式溢洪道消能率計算主要是參考光滑溢洪道的計算方法，沒有反映出臺階對消能的貢獻［3］。臺階式溢洪道的消能效果比光滑溢洪道好，從工程角度看，研究臺階式溢洪道消能率具有重大意義［4］。基于國內外研究情況，本文采用室內試驗與理論分析耦合方法，分析了臺階式溢洪道臺階高度、流量、坡度對消能率的影響。希望為今后臺階式溢洪道設計及消能率計算提供參考。

1　臺階式溢洪道消能率

臺階式溢洪道消能效果優于光滑溢洪道，特別在小單寬流量下，臺階式溢洪道的消能效果更加明顯［5-6］。光滑溢洪道也存在粗糙度，因此其本身也具有一定消能率，但臺階式溢洪道分為光滑消能率和純臺階消能率。光滑消能率與同長度的光滑溢洪道相同，因此只有純臺階消能率較大時，臺階式溢洪道的消能效果才較為明顯。因此，在建立試驗臺時，在光滑溢洪道的基礎上加裝臺階組成臺階式溢洪道模型，并采用連續性方程、動量方程和能量方程對該模型進行求解，得出模型的能量損失［7］。假設臺階式溢洪道進口總能為E1，出口總能量為E2，則溢洪道的能量損失為：

消能率為：

進口總能：

出口總能：

式中：Z1為上游斷面的高程；H1為上游水位；H2為下游水位；v1為上游平均速度；v2為下游平均速度；α為流速系數，本文取1；θ為坡角。

流量相同時，隨著溢洪道長度增加，消能率逐漸變大，且增加速度逐漸變快，說明臺階式溢洪道內部水流剪切作用劇烈，與光滑溢洪道相比，其具有較大的沿程阻力；長度相同時，隨著流量增加，消能率逐漸降低。

2　臺階式溢洪道消能率影響因素

2.1 臺階高度對消能率影響

前文提到，臺階式溢洪道消能率影響因素主要有臺階高度、流量、坡度、溢洪道長度等。因此首先研究臺階高度的影響，為了保證試驗的精確性，采用單一變量法進行研究，取溢洪道坡角θ =35°，溢洪道流量為q=21.2m3/s·m，臺階高度分別為0.5m、1m、2m［8］。根據試驗數據，繪制臺階式溢洪道消能率與流程長度L的散點圖，見圖1。

圖1　臺階高度對溢洪道消能率的影響

由試驗結果可見，流量相同時，不同臺階高度對溢洪道消能率的影響不大，相同長度處的3個試驗點基本重合，最大差值僅為8%。由此說明臺階高度對臺階式溢洪道消能率的影響不大。從圖1看，消能率與流程長度呈現較好的線性關系，通過擬合發現二者的相關系數為0.996。試驗結果表明：臺階高度對臺階式溢洪道消能率的影響不大，臺階高度增加后，消能率只是略微增大。

2.2 流量對消能率影響

研究流量對臺階式溢洪道消能率的影響，同樣采用單一變量法，取坡角為θ=35°，臺階高度設置為1m，由于當前該水庫單寬流量為35.7m3/ s·m時仍不能滿足最大洪峰的泄洪需求。因此，對溢洪道模型進行試驗研究時，取臺階式溢洪道單寬流量為21.2m3/s·m、35.7m3/s·m、46.7m3/s· m、62.2m3/s·m，合計4種試驗工況。在試驗臺上對4種流量進行測量，得出不同長度處的總能，進而根據式（2）計算消能率，并根據計算結果繪出臺階式溢洪道消能率與長度的關系曲線，見圖2。

圖2　流量對純臺階消能率影響規律

由圖2可知，流量相同時，隨著流程長度的增加，溢洪道消能率逐漸變大，除0～10m外，其余基本為線性關系，相關系數為0.998。長度相同時，發現4種工況的試驗值有所差別，L =120m差別最大，達4.5%。單寬流量越大，關系曲線越接近直線，特別是q=46.7m3/s·m和q=62.2m3/s· m，兩個工況的關系曲線基本重合，說明單寬流量到達一定值后，溢洪道消能率已達到上限，再增加單寬流量，消能率變化不大。

2.3 坡度對消能率影響

同樣采用單一變量法，臺階高度為1m，單寬流量為21.2m3/s·m，坡角取32°、38.7°、55°三種試驗工況，研究不同豎直高差下坡腳與消能率的關系。豎直高差是指第一個臺階到當前臺階的高度差。坡度與消能率的關系曲線見圖3。

圖3　坡度與消能率的關系曲線

試驗結果表明，豎直高差相同時，坡度越大，消能率先增加后降低，且三種試驗工況的測量值偏差較大，最大偏差可達12.2%。因此，坡度對臺階式溢洪道消能率的影響最大。當坡角相同時，豎直高差與消能率的關系曲線不再是直線，而是無規律的曲線，因為坡度對溢洪道的影響較為復雜。按照試驗結果，本文設計的溢洪道坡度為38.7°時，消能效果最好。

2.4 流程長度對消能率的影響

由上述分析可知，消能率受坡角的影響較大。相同高程差下，坡角不同，溢洪道的流程長度也會有所差異，對流程長度對消能率的影響作進一步分析。圖4給出臺階高度為1m，流量為21.2m3/s·m時，流程長度與消能率的關系曲線。

圖4　流程長度對消能率的影響

試驗結果顯示，隨著流程長度的增加，臺階式溢洪道消能率逐漸增大，水流在經歷了80級臺階后的消能率達80%，而一般光滑溢洪道的消能率僅為35%左右。臺階式溢洪道的消能效果明顯優于光滑溢洪道，可對下游河段和消力池起到保護作用。

3　結語

臺階式溢洪道的消能效果比光滑溢洪道好，從工程角度看，研究臺階式溢洪道消能率具有重大意義。基于國內外研究情況，采用室內試驗與理論分析耦合方法，分析了臺階式溢洪道臺階高度、流量、坡度對消能率的影響。研究表明：其它參數相同時，臺階式溢洪道長度增加，消能率增加；單寬流量增加，消能率減小；臺階高度增加，消能率增加。但由于臺階式溢洪道的水力特性十分復雜，模型試驗僅能作定性分析，因此還需深入研究。希望本文研究結果可為臺階式溢洪道設計提供幫助。

參考文獻

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［6］楊偉，高菊容，王和鑫.大中型水利工程安全生產管理工作芻議［J］.水利技術監督，2014（05）：26-28.

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作者簡介：秦廣莉（1966年—），女，工程師。

收稿日期：2015-08-29

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.018

中圖分類號：TV651

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）02-0049-03