浅谈大坝台阶式溢洪道消能特性和设计研究

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1、浅谈大坝台阶式溢洪道消能特性和设计研究　　【摘要】消能设计是水利工程设计中一个比较重要的环节，台阶式溢洪道是近些年来结合RCC技术提出的一种具有高消能率的溢洪道新形式，它一般适用于中小型水利工程，可以大大缩短消力池的长度从而降低投资。本文作者通过对工程实例的研究，对溢洪道台阶式消能设计中的问题进行了总结。【关键词】台阶式溢洪道消能率台阶式溢洪道是将传统的光滑溢洪道泄槽或溢流坝下游坝面做成台阶式，实际上是人为的“做粗糙”，一方面这种型式比光滑溢洪道更易于施工，且能避免光滑溢洪道对过水面不平整度的严格要求，另一方面台阶能显著增加溢洪道或溢流堰的消能率，从而减小下游消力

2、池的规模，缩短工期，节省投资。迄今，世界各地已经建设成功多座台阶式溢洪道或溢流堰，各国专家也对影响消能率的因素做了大量研究。1台阶式溢洪道消能的运用及特性根据溢洪道台阶式的水流流况的泄槽倾斜角度、临界水深可以将溢洪道台阶式水流流态分为三种流态，及滑行水流、过渡水流、跌落水流。6浅谈大坝台阶式溢洪道消能特性和设计研究　　【摘要】消能设计是水利工程设计中一个比较重要的环节，台阶式溢洪道是近些年来结合RCC技术提出的一种具有高消能率的溢洪道新形式，它一般适用于中小型水利工程，可以大大缩短消力池的长度从而降低投资。本文作者通过对工程实例的研究，对溢洪道台阶式消能设计中的问

3、题进行了总结。【关键词】台阶式溢洪道消能率台阶式溢洪道是将传统的光滑溢洪道泄槽或溢流坝下游坝面做成台阶式，实际上是人为的“做粗糙”，一方面这种型式比光滑溢洪道更易于施工，且能避免光滑溢洪道对过水面不平整度的严格要求，另一方面台阶能显著增加溢洪道或溢流堰的消能率，从而减小下游消力池的规模，缩短工期，节省投资。迄今，世界各地已经建设成功多座台阶式溢洪道或溢流堰，各国专家也对影响消能率的因素做了大量研究。1台阶式溢洪道消能的运用及特性根据溢洪道台阶式的水流流况的泄槽倾斜角度、临界水深可以将溢洪道台阶式水流流态分为三种流态，及滑行水流、过渡水流、跌落水流。6（1）目前我们

4、研究分析，当水流流过台阶表面时，主流与台阶之间会形成一个稳定的水流漩涡，它主要依靠溢洪道台阶式坡度的尺寸和大小而变化，这种情况我们一般称为滑行水流。主流的流动方向与漩涡旋转方面的主流接触方向一致，当溢洪道台阶式坡度在30°和55°之间时，在此范围的各相连台阶边缘会形成一个理想的底层，并与该水面至水流表面平行，造成水面波动较小。如果溢洪道的坡度在5.7°和11.3°之间，在靠近台阶的外侧即旋涡紧贴台阶的对面，主流会冲击台阶，造成水流表面的形状变弯，使之台阶受到影响。（2）当台阶的高度与水深相比较大时，水流自由下落的射流跌落在下一级台阶，并伴随水跃，即为跌落水流，它的

5、水跃主要分为完全水跃和不完全水跃两种跌落形式。完全水跃跌落是指在小流量和水深较浅时出现，在水跃落到最小水深时，与台阶之间的落点形成一个比水跃落水较高的水垫，并出现缓流与急流的交替形式。另外，不完全水跃一般在大水量出现时才形成，水跃落点由于撞机台阶，发生剧烈的紊动，可以通过计算公式，在h/l的范围为0.2和6之间时，通过h/l确定临界值，将计算出完全水跃的跌落水流状态。跌落水流与滑行水流的区别在于压力分布，跌落水流一般是在一系列的自由下落形成，因此，一般是在失重状态，跌落水台与台阶水垫之间形成的空腔为负值，或者说是压力梯度为零。由于滑行水流的稳定水流旋涡，则是静水压

6、力分布。这也就说明这之间造成的过渡水流会引起压力重新分布，造成工程失事或者轻微的震动，在设计时，尽量避免建筑物在过渡水流下运行。（3）过渡水流即是在跌落水流和过渡水流之间形成的一个水流现象，在有些台阶出现旋涡水流，则有些地方出现空腔。过渡水流会产生很强的冲击波和水力波动，以至于造成流态不稳定，在溢洪道台阶坡度为3.4°时，ChansonH将过渡水流分为三个区，即水流旋转区、水点飞溅区和急流区。在泄槽坡度为22°较陡时，水点飞溅区的水面出现最小值，并飞溅很高，超过边墙高度，同时，急流区消失。2消能率计算公式台阶式溢洪道或溢流坝的消能效果，很多学者都做过研究。总的来说

7、，当台阶高度一定时，消能率随单宽流量的增大而减小；在单宽流量一定的情况下，消能率随着台阶高度的增大而增大，但当高度达到一定值时，消能率将保持不变。台阶式溢洪道或溢流坝消能率计算较为直接的办法就是根据能量守恒定律，计算上、下游断面水流能量的损失率，即：式中E1、E2分别为坝上下游断面单宽水体总能量。根据澳大利亚的Chanson推导出台阶式溢流坝面滑移流的消能率计算公式：6式中：——水头损失；——总水头；HDAM——坝高；dc——临界水深；a——坝面倾角；f——摩擦系数；h0——台阶边沿处垂直泄槽坡面的均匀流水深；D——水力直径。消能率的影响因素是一个很有争议的问题，

8、消能率的影