臺階式溢洪道純臺階消能率分析

葛宇

【摘要】伴隨著社會經濟的發展，我國越加重視各項工程的建設，水利工程是我國重點建設的工程之一。為適應社會的現代化、科技化發展，各種工程技術被不斷更新完善，作為水利工程中的泄洪消能的重要建設工程，也逐漸由過去的光滑的溢洪道轉變為了如今的臺階式溢洪道，臺階式溢洪道具有較強的消能力，施工方便等特點。

【關鍵詞】臺階；溢洪道；消能率；影響因素

前言：

臺階式溢洪道主要是指將常規溢洪道的光滑的溢洪面改為一系列的臺階進而使得水流形態變化，提高消能率的一種方式[2]。與常規型的光滑溢洪道相比，臺階式溢洪道具有施工方便、效能率高等優勢，尤其是中小單寬流量下消能優勢更加明顯，適用于我國多數水利工程中。臺階式溢洪道的消能率一致是國內外水利工程研究的重點，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119°29′、北緯41°04′，此水利工程的建設主要以防洪、灌溉為主，并配備有中型可發電水庫。此水庫在建設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，由于時間的沖刷，溢洪道導流墻已變形破壞，已無法滿足抗傾覆性等的各項要求。相應技術人員已擬定了加裝階梯式溢洪道，以此增加泄流量。

臺階式溢洪道的水流狀態

在臺階式溢洪道中，共有兩種水流狀態，分別為滑行水流和跌落水流[1]，不同流態的形成和臺階的形狀、尺寸、以及臺階的深度息息相關，當臺階式溢洪道的流量、坡度增加時，水流將由跌落式水流狀態向滑行式水流狀態轉變。本文主要介紹了滑行水流時純臺階消能率與坡度、單寬流量、高度之間的關系。

在其他影響因素相同的情況下，對光滑溢洪道模型進行加裝臺階，采用連續性方程、動量方程能量方程等求解臺階模型的流速與水深。在計算中，相應人員將模型末端作為基準，進出口的總能量為E0，光滑溢洪道計算斷面的總能量為Egi，臺階式溢洪道計算斷面的總能量為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%

臺階式溢洪道的能量損失為： Ei = E0 - Ei

純臺階消能率為： ?=Ei -Egi /E0×100%

實驗分析

為全面了解純臺階消能率，本文分別在30°、40°、54°三種坡度進行臺階式溢洪道模擬實驗，分析其不同的單寬流量q、臺階高度a、坡度θ、流程長度L下的純臺階消能率的變化規律，考慮水流紊動的強烈，本文在每斷面間取6組數據平均值。實驗所得數據如表1：

臺階式溢洪道效能率的影響因素

4.1、臺階高度的影響

為了研究臺階高度對溢洪道消能率的影響規律，實驗人員在臺階坡度均為38°，單寬流量統一為21.2㎡/s時，通過臺階高度的不同試驗了臺階消能率的影響，實驗人員選取的臺階高度分別為0.5m、1m、2m三種高度，在實驗中，三種高度下泄的水流為滑行水流，實驗人員通過實驗現象的觀察與上述公式的計算，得出了三種高度消能率的數據，為更好將所得數據進行比較，研究員將所得數據繪制成圖表，如圖1所示。由圖可知，純臺階消能率與滑行水流流程長度呈現良好的線性關系，根據最小二乘法擬和結果，兩者間的相關系數大于0.9，可見滑行水流時臺階高度對消能率幾乎毫無影響。

4.2、臺階坡度的影響

研究員得出臺階高度與消能率幾乎毫無影響的結果后，開始研究臺階坡度與消能率間的關系，通過計算可知，當a=0.6m，q=35.6㎡/s時，溢洪道在落差同為h的情況下，選取了坡度分別為30°、40°、54°進行消能率的計算，最終得出，當臺階坡度越小時，純臺階消能率越大，由此可見，在修建臺階式溢洪道時，可適當的減小溢洪道的坡度來增加消能率，使其更有效的發揮臺階式溢洪道消能作用。

4.3、單寬流量的影響

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

總結語

本文主要以臺階式溢洪道為主要研究對象，通過將臺階式溢洪道與光滑式溢洪道進行對比研究，得出了臺階式溢洪道消能率的計算公式，并通過對臺階式溢洪道的高度、坡度、以及流量等與純臺階消能率關系的實驗與計算，得知臺階高度、坡度、流量的變化對臺階消能率的影響。綜上所述，純臺階消能率具有規律良好、方便實用的優點，其對我國水利工程的發展具有重要意義。

參考文獻：

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