臺(tái)階式溢洪道純臺(tái)階消能率分析

葛宇

【摘要】伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國越加重視各項(xiàng)工程的建設(shè)，水利工程是我國重點(diǎn)建設(shè)的工程之一。為適應(yīng)社會(huì)的現(xiàn)代化、科技化發(fā)展，各種工程技術(shù)被不斷更新完善，作為水利工程中的泄洪消能的重要建設(shè)工程，也逐漸由過去的光滑的溢洪道轉(zhuǎn)變?yōu)榱巳缃竦呐_(tái)階式溢洪道，臺(tái)階式溢洪道具有較強(qiáng)的消能力，施工方便等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】臺(tái)階；溢洪道；消能率；影響因素

前言：

臺(tái)階式溢洪道主要是指將常規(guī)溢洪道的光滑的溢洪面改為一系列的臺(tái)階進(jìn)而使得水流形態(tài)變化，提高消能率的一種方式[2]。與常規(guī)型的光滑溢洪道相比，臺(tái)階式溢洪道具有施工方便、效能率高等優(yōu)勢，尤其是中小單寬流量下消能優(yōu)勢更加明顯，適用于我國多數(shù)水利工程中。臺(tái)階式溢洪道的消能率一致是國內(nèi)外水利工程研究的重點(diǎn)，各國研究者對其研究頗多且取得了一定的成績，值得一提的是，各國學(xué)者所研究的成果中均不可避免的采用了消能率這一概念，由此可見，效能率的重要性。

1、實(shí)際案例分析

某水庫位于某市的大河上游位置，地理位置在東經(jīng)119°29′、北緯41°04′，此水利工程的建設(shè)主要以防洪、灌溉為主，并配備有中型可發(fā)電水庫。此水庫在建設(shè)期間采用的是光滑式溢洪道，a型駝峰堰，堰高1m，堰頂高程405m，泄流凈寬為74.5m，最大泄流量為1820m3/s，總長為103m，堰前水位為409m，堰后陡槽底坡為1：3.5，后接挑流鼻坎以及下游尾水渠[2]。目前，由于時(shí)間的沖刷，溢洪道導(dǎo)流墻已變形破壞，已無法滿足抗傾覆性等的各項(xiàng)要求。相應(yīng)技術(shù)人員已擬定了加裝階梯式溢洪道，以此增加泄流量。

臺(tái)階式溢洪道的水流狀態(tài)

在臺(tái)階式溢洪道中，共有兩種水流狀態(tài)，分別為滑行水流和跌落水流[1]，不同流態(tài)的形成和臺(tái)階的形狀、尺寸、以及臺(tái)階的深度息息相關(guān)，當(dāng)臺(tái)階式溢洪道的流量、坡度增加時(shí)，水流將由跌落式水流狀態(tài)向滑行式水流狀態(tài)轉(zhuǎn)變。本文主要介紹了滑行水流時(shí)純臺(tái)階消能率與坡度、單寬流量、高度之間的關(guān)系。

在其他影響因素相同的情況下，對光滑溢洪道模型進(jìn)行加裝臺(tái)階，采用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程能量方程等求解臺(tái)階模型的流速與水深。在計(jì)算中，相應(yīng)人員將模型末端作為基準(zhǔn)，進(jìn)出口的總能量為E0，光滑溢洪道計(jì)算斷面的總能量為Egi，臺(tái)階式溢洪道計(jì)算斷面的總能量為Ei，則

光滑溢洪道的能量損失為： Egi = E0 - Egi

光華消能率為： 0=Egi /E0×100%

臺(tái)階式溢洪道的能量損失為： Ei = E0 - Ei

純臺(tái)階消能率為： ?=Ei -Egi /E0×100%

實(shí)驗(yàn)分析

為全面了解純臺(tái)階消能率，本文分別在30°、40°、54°三種坡度進(jìn)行臺(tái)階式溢洪道模擬實(shí)驗(yàn)，分析其不同的單寬流量q、臺(tái)階高度a、坡度θ、流程長度L下的純臺(tái)階消能率的變化規(guī)律，考慮水流紊動(dòng)的強(qiáng)烈，本文在每斷面間取6組數(shù)據(jù)平均值。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表1：

臺(tái)階式溢洪道效能率的影響因素

4.1、臺(tái)階高度的影響

為了研究臺(tái)階高度對溢洪道消能率的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)人員在臺(tái)階坡度均為38°，單寬流量統(tǒng)一為21.2㎡/s時(shí)，通過臺(tái)階高度的不同試驗(yàn)了臺(tái)階消能率的影響，實(shí)驗(yàn)人員選取的臺(tái)階高度分別為0.5m、1m、2m三種高度，在實(shí)驗(yàn)中，三種高度下泄的水流為滑行水流，實(shí)驗(yàn)人員通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與上述公式的計(jì)算，得出了三種高度消能率的數(shù)據(jù)，為更好將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，研究員將所得數(shù)據(jù)繪制成圖表，如圖1所示。由圖可知，純臺(tái)階消能率與滑行水流流程長度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，根據(jù)最小二乘法擬和結(jié)果，兩者間的相關(guān)系數(shù)大于0.9，可見滑行水流時(shí)臺(tái)階高度對消能率幾乎毫無影響。

4.2、臺(tái)階坡度的影響

研究員得出臺(tái)階高度與消能率幾乎毫無影響的結(jié)果后，開始研究臺(tái)階坡度與消能率間的關(guān)系，通過計(jì)算可知，當(dāng)a=0.6m，q=35.6㎡/s時(shí)，溢洪道在落差同為h的情況下，選取了坡度分別為30°、40°、54°進(jìn)行消能率的計(jì)算，最終得出，當(dāng)臺(tái)階坡度越小時(shí)，純臺(tái)階消能率越大，由此可見，在修建臺(tái)階式溢洪道時(shí)，可適當(dāng)?shù)臏p小溢洪道的坡度來增加消能率，使其更有效的發(fā)揮臺(tái)階式溢洪道消能作用。

4.3、單寬流量的影響

研究員了解到臺(tái)階坡度的變化對臺(tái)階消能率的影響較大后，開始對單寬流量與臺(tái)階消能率的影響規(guī)律進(jìn)行研究，研究員將臺(tái)階溢洪道的坡度定義為38°，臺(tái)階高度為1m，對不同的單寬流量下的消能率進(jìn)行研究，當(dāng)臺(tái)階高度流程長度相同的情況下，當(dāng)單寬流量逐漸增大時(shí)，臺(tái)階式溢洪道的純臺(tái)階消能率在逐漸減小，表明臺(tái)階溢洪道的消能率與單寬流量間的關(guān)系。

總結(jié)語

本文主要以臺(tái)階式溢洪道為主要研究對象，通過將臺(tái)階式溢洪道與光滑式溢洪道進(jìn)行對比研究，得出了臺(tái)階式溢洪道消能率的計(jì)算公式，并通過對臺(tái)階式溢洪道的高度、坡度、以及流量等與純臺(tái)階消能率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，得知臺(tái)階高度、坡度、流量的變化對臺(tái)階消能率的影響。綜上所述，純臺(tái)階消能率具有規(guī)律良好、方便實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，其對我國水利工程的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]董冰霜. 臺(tái)階式溢洪道純臺(tái)階消能率變化規(guī)律研究[J]. 中國水能及電氣化， 2015（12）：70-72.