臺階式溢洪道純臺階消能率變化規(guī)律研究

董冰霜

(遼寧省凌源市水務(wù)局，遼寧 朝陽　122500)

臺階式溢洪道純臺階消能率變化規(guī)律研究

董冰霜

(遼寧省凌源市水務(wù)局，遼寧 朝陽122500)

【摘要】臺階式溢洪道在水利工程泄洪消能中得到了廣泛應(yīng)用，其與光滑溢洪道相比具有較高的消能率。消能率是研究臺階式溢洪道消能特性的重要參數(shù)，但其與流動參數(shù)間的關(guān)系十分復(fù)雜，總消能率并不能反映出各臺階的消能效果。本文采用模型試驗與數(shù)值計算相結(jié)合的方法，分析了純臺階單寬流量、臺階高度、坡度對消能率的影響。研究表明：純臺階消能率與流量、坡度間存在較好的線性關(guān)系，這兩個參數(shù)可用于研究純臺階消能特性。

【關(guān)鍵詞】臺階；溢洪道；泄流；消能率

菩薩廟水庫位于凌源市大凌河上游南支的支流西大川河上，地理位置為東經(jīng)119°29′、北緯41°04′，是以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧發(fā)電的中型水庫。該水庫采用開敞式光滑溢洪道， a型駝峰堰，堰高1m，堰頂高程405.4m，泄流凈寬74.44m，最大泄流量1823m3/s，總長104m，相應(yīng)的堰前水位為409.407m，堰后陡槽底坡坡比1∶3.5，后接挑流鼻坎及下游尾水渠。目前溢洪道導(dǎo)流墻已變形破壞，經(jīng)計算在正常水位條件下抗傾覆、抗滑動性均不能滿足要求。擬對該光滑溢洪道進行改造，加裝多級臺階使其變?yōu)榕_階式溢洪道，以增加最大泄流量。

研究表明：傳統(tǒng)光滑溢洪道消能率較低，其消能效果遠不及臺階式溢洪道。學(xué)者們對溢洪道消能特性的研究主要基于總消能率，而總消能率無法反映出單個臺階對消能的貢獻。眾所周知，臺階式溢洪道的消能效果優(yōu)于光滑溢洪道，從工程角度分析，消能率即可反映溢洪道的消能效果；但是從理論分析，消能率不能完全反映消能效果，因此研究純臺階消能率具有重大意義。

1消能率計算

為了便于區(qū)分，將光滑溢洪道消能率稱為光滑消能率，將臺階式溢洪道消能率分為光滑消能率和純臺階消能率兩部分。在其他因素相同時，將模型的臺階去掉形成光滑溢洪道，采用連續(xù)性方程、動量方程、能量方程求解出模型流速和水深。以模型末端為基準，進口處的總能量為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：

(1)

光滑消能率為：

(2)

臺階式溢洪道的能量損失為：

(3)

純臺階消能率為：

(4)

相同流量下，隨著流程長度增加，光滑消能率逐漸變大，且增長梯度增加，說明此時水流內(nèi)部剪切作用加劇，沿程阻力增加；相同流程長度下，隨著單寬流量的增加，光滑消能率逐漸減小。測量光滑消能率時共設(shè)計了4種流量工況，下表給出了試驗得到的不同流量、不同流程長度下臺階式溢洪道光滑消能率情況。

階式溢洪道光滑消能率表

2純臺階消能率變化規(guī)律

2.1　臺階高度對消能率的影響

為了研究臺階高度對消能率的影響規(guī)律，取坡角為38°，單寬流量為21.2m3/(s·m)，臺階高度分別為0.5m、1m、2m。試驗中3種高度下泄水流均為滑行水流，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制純臺階消能率與流程長度的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1　臺階高度對純臺階消能率影響規(guī)律

由圖1可知，純臺階消能率與流程長度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，根據(jù)最小二乘法擬合結(jié)果，二者的相關(guān)系數(shù)大于0.995。其余參數(shù)相同時，不同臺階高度對消能率的影響不大，其標準偏差值約為1.2%。由此可知，滑行水流下的臺階高度對消能率幾乎無影響。

2.2　流量對消能率的影響

為了研究單寬流量對純臺階消能率的影響規(guī)律，取坡角為38°，臺階高度為1m，由于當前最大單寬流量24.5m3/(s·m)仍不能滿足要求，因此新溢洪道單寬流量應(yīng)加大。取單寬流量分別為8.1m3/(s·m)、21.2m3/(s·m)、35.7m3/(s·m)、46.7m3/(s·m)、62.2m3/(s·m)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制純臺階消能率與流程長度的關(guān)系曲線，見圖2。

圖2　流量對純臺階消能率影響規(guī)律

試驗結(jié)果表明：流量一定時，隨著流程長度的增加，純臺階消能率逐漸變大，二者基本呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.997以上。相同斷面處，流量對純臺階消能率有一定影響，最大偏差可達4.5%。但是除了q=8.1m3/(s·m)外，其余流量下純臺階消能率與流程長度間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。單寬流量q=8.1m3/(s·m)時，純臺階消能率與流程長度曲線接近冪函數(shù)，試驗中觀察到此工況存在跌落水流，由此說明滑行水流比跌落水流更容易滿足線性規(guī)律。

2.3　坡度對消能率影響

取坡角為32°、38.7°、55°，臺階高度為1m，單寬流量為35.7m3/(s·m)，研究相同豎直落差下的純臺階消能率變化情況。相同豎直落差是指第一個臺階到當前斷面的高度差。坡度對純臺階消能率的影響規(guī)律見圖3。

圖3　坡度對純臺階消能率的影響規(guī)律

由圖3可知，豎直落差一定時，隨著坡度的增加，純臺階消能率逐漸降低，最大降幅可達10.4%。此時，豎直落差與純臺階消能率間仍能保持線性關(guān)系，只是3種工況的曲線不再重合。因此，坡度對純臺階消能率的影響很大，主要是由于相同豎直落差下，坡度增加，流程長度減小，相應(yīng)的純臺階消能率減小。因此，適當減小坡度有利于提高溢洪道消能效果。

2.4　相對消能率

消能率是反映溢洪道消能效果的重要參數(shù)，由上述分析可知，光滑消能率并不能完全反映臺階式溢洪道的消能效果。對比純臺階消能率與光滑消能率所占比重，在此提出相對消能率，用于描述臺階消能占總消能的比重。

相對消能率為：

(5)

式中η——臺階溢洪道消能率；

Δh臺——純臺階累計耗散的水頭;

Δh——臺階式溢洪道消耗的總水頭。

圖4為臺階高度為1m時，不同流量、不同臺階位置時的相對消能率變化曲線。

圖4　相對消能率對臺階位置變化規(guī)律

流量相同時，臺階數(shù)越多，相對消能率越小。由于純臺階消能率為常數(shù)，因此臺階數(shù)量越多，水流內(nèi)部的剪切力越大，溢洪道沿程阻力越大，相對消能率越小。流量不同時，相對消能率變化情況如下：q=21.2m3/(s·m)時，消能率下降梯度

3結(jié)語

結(jié)合模型試驗數(shù)據(jù)，分析了單寬流量、臺階高度、坡度對純臺階消能率的影響規(guī)律。并在此基礎(chǔ)上提出了相對消能率，用于描述臺階消能占總消能的比重。研究表明：純臺階消能率不受臺階高度、流量影響，但受流程長度和坡度影響。純臺階消能率與流量、坡度間存在較好的線性關(guān)系，這兩個參數(shù)可用于研究純臺階消能特性。但針對復(fù)雜的臺階溢洪道水流特性，本研究還存在一定的不足，還需要進一步的深入研究。

參考文獻

[1]韓艷紅.土石壩溢洪道設(shè)計與運行問題分析探討[J].水利建設(shè)與管理,2012(5):17-19.

[2]馬愛冬.溢洪道泄流消能試驗研究[J].水利建設(shè)與管理,2012(11):11-14.

[3]王莉艷.斯木塔斯水電站臺階式溢洪道消能設(shè)計[J].中國水能及電氣化,2014(4):65-67.

[4]李水生,李曉彬,申顯柱.董箐水電站工程溢洪道寬大泄槽摻氣設(shè)施設(shè)計[J].中國水能及電氣化,2014(12):52-54.

[5]劉紹國.卡拉貝利水利樞紐工程水土保持監(jiān)測探討[J].水資源開發(fā)與管理,2015(1):45-47.

Research on pure step energy dissipation rate change law of stepped spillway

DONG Bingshuang

(LiaoningLingyuanWaterAuthority,Chaoyang122500,China)

Abstract:Stepped spillway is widely applied in flood discharge and energy dissipation of water conservancy projects. It has higher energy dissipation rate compared with smooth spillway. The energy dissipation rate is one of the important parameters to study stepped spillway energy dissipation characteristics. However, its relationship with flow parameters is very complex. Total energy dissipation rate does not reflect the effect of each step energy dissipation. In the paper, method combining model test and numerical calculation is adopted for analyzing the influence of pure step per width discharge, step height and slope on energy dissipation rate. Research shows that pure step energy dissipation rate has better linear relationship with discharge and slope. Both parameters can be used for studying pure step energy dissipation characteristics.

Key words:step; spillway; flow discharge; energy dissipation rate

中圖分類號：TV651.1

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8241(2015)12-0052-03

DOI:10.16617/j.cnki.11- 5543/TK.2015.12.015