臺階式溢洪道特性研究概述

摘 要：臺階式溢洪道作為一種新型消能形式，相比傳統的泄洪洞，其具有巨大的優點。文章對臺階式溢洪道進行概述，通過總結前者研究成果，得到主要結論如下：對于臺階式溢洪道的流態，分為滑行水流、過渡水流和跌落水流3類；但針對流態的判別準則，目前并沒有統一的結論。滑行水流的流速隨水深的方向由小變大，流速梯度也由大減小；過渡水流隨著流速逐漸增加，流體的流線開始出現波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加；跌落水流的紊動比較強烈，并且每個臺階中部的壓強最高。影響臺階泄洪渠道消能率的變量主要包括單寬壓力、水態、泄洪渠道的坡度、臺階的高程與直徑、臺階的重量等。

關鍵詞：臺階式溢洪道；流態；流速；消能

中圖分類號：TV651.1

泄洪渠是指普遍存在于各類水利樞紐建筑物上的泄水建筑材料，尤其是水電站的泄洪過程中使用十分普遍。我國“都江堰”水利樞紐的飛砂堰溢洪道的設計，既體現了古代勞動人民的聰明才智，也表明了溢洪道應用的悠久歷史。

通常溢洪道多為開敞型的構筑物，主要由入溝渠、節制段、泄槽段、消能防沖段和出溝渠段等幾部分構成。由于水利工程事業的日益發達，泄洪渠道產生了多種類型，包括正槽泄洪渠、側槽泄洪渠、井式泄洪道等。它的消能形態也常常有挑流消能和底流消能等，但是，不管是利用哪種方式消能，其溢洪道表面大多是光滑面，表面被空化空蝕破壞的現象時有發生。隨著碾壓水泥（RCC）等筑壩工藝的逐漸普及，光滑面泄洪渠工作量大、消能質量差和工程造價較高等問題逐步顯露。相較光滑面泄洪渠，臺階式溢洪道是一個新興的消能工，有著巨大的優點。首先，它可以很明顯地提高溢洪道末端躍前段的消能效率，進而降低了下游消力池的總容量，從而減少了項目投入；其次，由于施工方法不復雜，能減少建設時間，從而減少了工程造價；另外，在某些項目中，泄洪渠道末端處因為地質環境上的問題而抗侵蝕性能很弱，不能采取挑流等消能方法。此時，通過利用臺階式溢洪道降低了消力池的直徑，可以克服消力池的設計和地質環境上的問題[1]。因此，從20世紀60年代末開始臺階式溢洪道受到國內外水利界研究人員的強烈關注。

1 流態

對臺階式溢洪道的正式研究并形成文獻資料大多是從20世紀80年代末，90年代初開始的。研究人員經過大量的研究實踐，歸納出水流態的類型，按照傾斜高程、單寬流量、平臺高程可分成滑行水流、過渡水流和跌落水流等三類[2]。

（1）滑行水流（Skimming flow）。平臺凹角內有大量河流充滿，產生了回旋河流，河流在平臺內旋滾，旋滾方位和主導方位相同，主要是靠水的紊動切割力來保持，而旋滾的速度主要是受單寬流速和階梯尺度的控制，單寬流速愈大，階梯尺度也愈大，平臺凹角內的土壤和水域旋滾就愈強烈；留在平臺內的回旋地下水體，與平臺凸角的連接一起構成了一條虛幻底層，主流水在虛幻底層上滑行流淌。

（2）過渡水流（Transition flow）。位于下滑水流與下降水流之中間的是過渡水流，有些類似于下滑水流在階梯凹角中被旋滾水流所充滿，也有些類似于下降水流在階梯凹角產生類似三角形的空腔。過渡水流能引起很大的水力變化和沖擊波，給臺階造成很大沖擊，在設計中應給予足夠的重視。

（3）跌落水流（Nappe flow）。水流在通過臺階后回落到了下一層階梯上，在主流與階梯的凹角中間形成了一條腔室，臺階水平表面還存在著一道水墊，河流下泄時跌落在水墊上，臺階空腔尺寸愈大，水墊厚度愈薄。當較小單寬流速時，水流在起始階梯上產生挑射流，水流飛過了幾個階梯，接著在下一階梯上又產生較小跌水流，挑射流動狀態中往往伴隨有大量水珠的飛濺，甚至個別水珠還飛得很高，甚至超過溢洪道邊墻高度。

對于流態的分類，各學者的結論基本一致，但是對于流態的判別卻有所不同，比較公認的流態判別臨界公式有下面幾種[3]：

式中：yc為溢洪道進口處的臨界水深；h為臺階高度；θ為溢洪道的斜坡角度。

2 流場與壓強特性

流場因其能反應流速特征，在高速河流的科學研究中受到重視。研究人員采用了新型計算工具和數值模擬方法，探討了與流場壓強變化有關的特征。

基于壓強特性的有關研究成果，一些學者通過試驗表明，跌落水流時，臺階水平上面的時均壓強均為正值，但接近臺階上部豎直安放表面的時均壓力可能出現負數；滑行水流時，臺階水平上面的時均壓力也是正值，但豎直安放表面上部仍可以產生負壓，并且流速時負壓大，流速大時負壓小，但相差較小，而且隨著坡度的增大負壓也增加[3]；李布靂[4]根據重力相似原則，通過模型試驗，研究了在溢流壩坡度分別為40°、50°和60°的3個不同斜坡下，流臺階高程分別為16 cm、8 cm和4 cm的各種流速工況時均壓力特征，從而得出了在不同水流流態下，不管在階梯水平面還是豎直放置的面上，沿流程階梯面時均壓力特征都呈現出高低值交替的現象。時均負壓全聚集于階梯豎直面凸點周圍；臺階的表面均為正壓，并與流量的沖擊程度密切相關，大多聚集于臺階水平面凸點周圍。由于流速的增加，臺階豎直面的重力標準偏差區范圍縮小，而重力標準偏差數值上升，臺階水平表面的正壓數值亦相應上升。

3 消能

對于臺階式溢洪道能量值的測算，人們通常采用先對臺階式溢洪道下游依次列能量守恒方程式，再以上下游的動能差和上下游的總能為能量的最大耗散量，消能公式如下：

式中：Z1為最上游段面的平均高度；H1為最上游水位；H2為下游水位；v1為上游平均流量；v2為下游平均流量；α1和α2為最大流速系數。

而對于具體對臺階式溢洪道消能效率影響規律的探討，Stephenson[5]利用模型試驗研究了臺階寬度對消能率的作用，提出當上下游坡較陡、臺階上的水量為臨界水量的1/3時，能力的耗費會加大，因而可采用加大臺階寬度來提高消能效率；Peyras等[6]研究提出消能率隨斜坡變緩而上升；Christodoulou[7]通過量綱一化分析表明，限制消能率的重要參量為溢洪道上臨界水量與臺階高程之比和臺階個數；Rice和Kadavy[8]的研究則提出，臺階式溢洪道的能損失隨流程寬度的加大而上升。以上都是關于臺階式泄洪渠消能的一些定性理論，而關于具體消能效果的直接數值顯示則是美國墾務局對世界上最早利用RCC臺階式溢洪道的建筑物—上靜壩的調查，結果顯示，階梯溢洪道的消能率相當于光滑泄洪渠的75%，上下游消力池距離可縮短近50%[9]。

除了上述國外學者對于臺階式溢洪道的研究之外，國內學者也做了大量的研究與分析。國內首先開發臺階式溢洪道的是北京清華大學的才君眉等[10]，經過試驗研究，結果表明臺階式溢洪道的消能效率比較好，可以達到90%以上，并且由于單寬流速的提高和下降，其主要水流特征就是通過一系列的臺階趾部，產生了渦流和摻氣；戴秋萍等[11]對臺階式溢洪道消能方法的開發與研究工作做了總結，闡述了臺階式溢洪道的流態、摻氣和消能等成果及狀況，提出了其問題和趨勢；戴文勝等[1]系統介紹了泄洪溝消能效率的計算公式、消能效率的主要影響因子、階梯式泄洪溝的主要應用領域，以及通過分析利用某水電站的階梯式泄洪溝與光滑面泄洪溝的二種方法，在效能作用、消力池長度等方面進行比較，綜合分析了這2種方式各自的優點，比較結果顯示，相較于傳統光滑面泄洪渠道，臺階式溢洪道大大縮小了消力池的尺寸，減少了投入，與外國研究者的研究結論一致；秦廣莉[12]應用室內實驗與理論研究耦合方式，綜合分析了臺階式溢洪道臺階高程、流速、邊坡對消能率的負面影響，結果表明，其他參量相同時，臺階式溢洪道長度增大，消能率增大，單寬流速增大，消能率降低，階梯高程增大，消能率提高；伍平等[13]則針對實際工程建設中難于明確樓梯斜坡比適用范圍的實際問題，利用了4個水利工程、5個樓梯斜坡比適用范圍的建模實驗，明確了對工程建設中最適用的斜坡比適用范圍為1∶2～1∶3，張峰等[14-15]的研究得出相對消能率沿程直線分布特性規律，為臺階式溢洪道研究開辟了新的途徑，對于實際的工程應用起到了較大的幫助。

4 其他研究

隨著對臺階式溢洪道實際施工應用研究和基礎科研工作的逐漸開展，人們對其了解越來越具體和細致。為防止臺階式溢洪道可能由于消能率降低、通氣障礙等因素引起空蝕損傷，部分研究者推出了一些輔助的消能工與臺階有機的結合，比如，將摻氣分流墩與臺階有機地結合，將寬尾墩與臺階有機地結合，還有在臺階前端設有通氣孔和前裝摻氣坎等。彭勇等[16]在對前置摻氣坎式臺階泄洪渠水力特征、消能特性、摻氣效率、防空蝕特征研究的基礎上，利用角動量矩方程推導出了臺階式溢洪道在產生均勻水流時的摻氣平均水量與消能率計算公式，確立了在不同的單寬流速下摻氣平均水量與臺階寬度間的比例關系，及其與臺階寬度、階次和消能速率間的定量關系。

此外，弗汝德數也是表示河流能力特征的一種參數，曲更龍[17]為了正確地表達梯坎尺寸變化規律對泄洪渠道消能段相應流量和相應弗汝德數關系變化規律的深遠影響，選取重慶市柏葉口水力發電總廠泄洪渠道為研究對象，設定5組不同梯坎高程的方案設計，通過物理建模實驗，將這5組方案設計分別表現在物理模擬中，利用概化實驗加以比較分析。研究表明，非平穩流動流態下，相應速度和相應弗汝德數顯示出的正常線性關系，相關系數可達0.985～0.992；而梯坎高程對相應速度和相應弗汝德數顯示出的垂直或偏斜幅值，基本沒產生影響。

5 總結與展望

（1）對于臺階式溢洪道的流態，各學者對于流態分類的結果基本一致，即滑行水流、過渡水流和跌落水流3類；但對于流態的判別準則，目前還沒有統一的結論，但已有少數學者給出了相對可行的經驗公式。

（2）根據臺階式溢洪道的流場和水壓力特點，滑行水流的流速隨水深的方向而由小變大，流速梯度也由大減小，在平臺的凹角內有順時針旋渦現象；跌落水流的紊動比較強烈，部分臺階凹角會產生旋渦。對于壓強特性，一般規律是以臺階相交處為分界線將模型底部劃分為多個板塊并呈規律性分布：每個臺階中部壓強最高，然后逐漸向上下兩級臺階的交界處減少，并且在臺階垂直面上還會產生負壓，之后便進入下一個板塊開始下一個循環。

（3）就臺階式溢洪道的消能而言，影響臺階式溢洪道消能率的變量主要包括單寬壓力、水態、泄洪渠道的坡度、臺階的高程與直徑、臺階的重量、溢洪道的截面形狀、臨界水深等。比較公認的結果是，若消能效率會隨著單寬流速的增加而降低，并隨著臺階高程的上升而提高，或逐步趨向某一常數，則消能效率也會隨著壩面坡度的變緩而增加等[18]。

目前，臺階式溢洪道的相關研究很多，有些方面將來仍可以開展更加深入的研究。例如，為避免空蝕破壞在臺階摻氣過程中，氣體與水流是如何相互作用的；能否在臺階面上加入額外的消能工進一步提高消能率；臺階凸角角度是非直角時對水力參數有什么樣的影響等。

參考文獻：

[1]" 戴文勝，謝新生，王旭. 臺階式溢洪道的消能及其應用價值的探討[J]. 山西水利科技，2006，（3）：16-18+24.

[2]" 趙相航，解宏偉，郭馨，等. 臺階式溢洪道消能規律試驗研究[J]. 青海大學學報，2016，34（5）：36-39.

[3]" 王承恩，張建民，李吉貴. 階梯溢洪道的研究現狀及展望[J]. 水利水電科技進展，2008，28（6）：89-94.

[4]" 李布靂. 臺階式溢流壩上壓強特性的試驗研究[D]. 西安：西安理工大學，2005.

[5]" Stephenson D. Energy dissipation down stepped spillways[J]. Water Power and Dam Construction，1991（9）：27-30.

[6]" Peyras L，Royet P，Degoutt G. Flow and energy dissipation overstepped gabion weirs[J]. Journal of Hydraulic Engineering， ASCE，1992，118（5）：707-717.

[7]" Christodoulou G C. Energy dissipation on stepped spill-

ways[J]. Journal of Hydraulic Engineering，1993，119（5）：644-650.

[8]" Rice C E，Kadavy K C. Model study of a roller compacted concrete stepped spillway[J]. Journal of Hydraulic Engineering，1996，122（6）：292-297.

[9]" Chanson H. State of the art of the hydraulic design of stepped chute spillways[J]. Hydropower ＆ Dams，1994，1（1）：33-41.

[10] 才君眉，薛慧濤，馮金鳴. 碾壓混凝土壩采用臺階式溢洪道消能初探[J]. 水利水電技術，1994，4（4）：19-21+25.

[11] 戴秋萍. 臺階式溢洪道消能方式的發展與研究[J]. 黑龍江水專學報，2008，35（2）：10-12.

[12] 秦廣莉. 臺階式溢洪道消能率影響因素分析[J]. 水利規劃與設計，2006，（2）：49-51.

[13] 伍平，王波，陳云良，等. 階梯溢洪道不同坡比消能研究[J]. 四川大學學報（工程科學版），2014，44（5）：24-29.

[14] 張峰，劉韓生，張為法. 臺階式溢洪道滑行水流消能特性研究[J]. 長江科學院院報，2014，31（6）：37-40.

[15] 張峰，劉韓生. 臺階式溢洪道消能特性的研究[J]. 水利與建筑工程學報，2012，10（4）：11-13．

[16] 彭勇，張建民，許唯臨，等. 前置摻氣坎式階梯溢洪道摻氣水深及消能率的計算[J]. 水科學進展，2009，20（1）：63-68.

[17] 曲更龍. 不同梯坎尺寸下溢洪道消能段相對流速與相對弗汝德數的關系[J]. 黑龍江水利科技，2017，3（8）：38-40.

[18] 張建軍. 溢洪道消能方案研究進展[J]. 科技情報開發與經濟，2009，19（29）：120-121.