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(fā)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(fā)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?yōu)榱巳缃竦呐_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(guī)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(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(fā)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(tài)

在臺階式溢洪道中，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(tài)向滑行式水流狀態(tài)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(xù)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(guī)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(guī)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(fā)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(guī)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(guī)律良好、方便實用的優(yōu)點，其對我國水利工程的發(fā)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(guī)律研究[J]. 中國水能及電氣化， 2015（12）：70-72.