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1、水力发电学报1998年第4期JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERING总第63期台阶式泄槽溢洪道的水力特性和设计应用艾克明(湖南省水利水电勘测设计研究院长沙410007)提要台阶式泄槽溢洪道的显著特点是沿溢流面的消能率大大提高,从而可免除或极大地缩短溢洪道末尾所需消能工的尺寸。台阶水道还可用于水处理工厂,促进空气中的气-水交换和有机质的挥发。参阅国内外资料的基础上,本文对台阶溢洪道的发展现状、流态和水力特性,以及台阶溢洪道的设计应用做了介绍。关键词台阶式泄槽溢洪道溢流水舌分离流掺气消能一、台阶式泄槽溢洪道的发
2、展状况台阶式泄槽溢洪道在塘坝和跌水上已有2500多年的应用历史。60年代末,有的国家开始应用台阶溢洪道于中、小型水利工程。台阶有混凝土的,浆砌石的,也有石笼的。80年代,随着碾压混凝土(RCC)的推广应用,由于台阶能结合坝体升程,施工方便,因此RCC台阶溢洪道得到了迅速发展。美国的上静水坝(UpperStill-waterDam)是世界上第一个采用[1]RCC台阶溢洪道的工程。南非已建成投产的22座RCC坝中,有20座采用了RCC台阶[2]溢洪道,其中包括2座世界上最先修建的RCC重力拱坝。台阶溢洪道不但广泛应用于重力坝上,同时在低
3、的过水土坝上也有应用。俄罗斯工程[3]师于70年代中期最先修建了用预制混凝土块砌筑的台阶式泄槽土坝溢洪道。用RCC台阶作为堤坝漫水时下游坡的保护措施,已成美国最广泛可以接受和应用的方法。现在美国[4]有19个州的44座土坝用RCC保护,以增加坝体的调洪能力。巴西的辛戈堆石面板坝,为[5]了在施工期漫水时保护坝体不受损坏,在下游坡的50m高度范围内修筑了RCC台阶。台阶溢洪道显著特点是沿坝坡逐级掺气、减速、消能。许多试验研究表明,台阶溢洪道的消能率比常规光滑混凝土泄槽要高出40%～80%,因而使下游要求的消力池长度大大减短。除了泄洪消
4、能以外,在国外的水处理工厂也用台阶式水道来增加水体的氧气含量,促进水体中有机质的挥发,改善水质。90年代,我国也已开始研究并建成投产了RCC台阶溢洪道。例如福建省的水洞RCC坝的台阶溢洪道于1994年建成,并于同年5月通过了一场100年一遇的大洪水,单宽流量达390m/s.m。泄洪期间台阶溢洪道的消能效果良好,消力池下游河道里的水流平稳。台阶溢本文于1998年7月21日收到。艾克明:台阶式泄槽溢洪道的水力特性和设计应用87[6]洪道仅只微小破坏。湖南省的江垭RCC大坝,高128m。为了宣泄最大可能洪水(PMF),坝体中央预留缺[7]
5、口,坝下游面上设高90cm的RCC台阶,作为非常泄洪措施。该工程将于年内建成投产。综上所述可以认为,台阶溢洪道已成为世界各国泄洪消能的通用方法之一。二、水流流态台阶式泄槽由一系列具有跌坎的明渠组成。总落差被分为若干小跌水。试验观察表明,通过台阶溢洪道的水流大体可以分为两种典型流态:跌流水舌(或溢流水舌)和分离流(也有人称滑移流),见图1。图1泄槽上的流态(a)具有完全水跃的溢流水舌(b)部分水跃的溢流水舌(c)具有尾流-台阶干扰的分离流(缓坡<27°)(d)尾流-尾流干扰的分离流(=27°)(e)具有稳定旋转空间的分离流(>2
6、7°)2.1跌流水舌流态[3]皮拉斯等人(Peyras)描绘有两种跌流水舌:对于小流量和水深浅时的完全水跃型跌流水舌(图1a)和部分发展的跌流水舌,也叫部分跌流水舌(图1b)。昌桑(ChansonH.)[3]认为,完全发展的水跃型跌流水舌出现于较小的流量,其临界值为:-1.276(dc/h)特=0.0916(h/L)(1)式中dc——临界水深;h和L分别为台阶的步高和步长。完全发展的水跃型跌流水舌流态出现于dc/h<(dc/h)特的时候。式(1)是在0.2<≤h/L≤6的条件下建立的。2.2分离流流态随着流量或坡度的加大,可能由跌流
7、水舌过渡到分离流流态。分离水流的形成取决于88水力发电学报[3]流量、台阶的步高与步长。文献提出分离流的临界值为:(dc)始/h=1.057-0.46h/L(2)即当dc/h>(dc)始/h时出现分离流流态。当为分离流流态时,水流通过台阶面为一种稳定流,它飘越台阶,并被陷落在台阶上的旋转水体所衬垫。台阶的外轮廓形成一个假底,水流在假底上通过。在假底下面形成稳定的涡流,如图1e所示。图1c和1d为跌流水舌流态向分离流流态过渡的流态。台阶上稳定的旋转水流约发生在台阶的高长比大于0.4的时候(此时台阶的坡角=26.6°)。所以一般认为
8、>27°时出现分离水流。分离流的流态特征是具有很大的摩阻损失和很强的掺气过程。当为高坝时,它具有比跌流水舌流态更大的消能作用。过渡流态通常不稳定,有时伴随着振动。因此,工程设计时应调整参数,尽量避免建筑物在过渡流态下经常运行。三、掺气
