臺(tái)階式溢洪道特性研究概述

摘 要：臺(tái)階式溢洪道作為一種新型消能形式，相比傳統(tǒng)的泄洪洞，其具有巨大的優(yōu)點(diǎn)。文章對臺(tái)階式溢洪道進(jìn)行概述，通過總結(jié)前者研究成果，得到主要結(jié)論如下：對于臺(tái)階式溢洪道的流態(tài)，分為滑行水流、過渡水流和跌落水流3類；但針對流態(tài)的判別準(zhǔn)則，目前并沒有統(tǒng)一的結(jié)論?；兴鞯牧魉匐S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(xiàn)波浪狀的擺動(dòng)，擺動(dòng)的頻率及振幅隨流速的增加而增加；跌落水流的紊動(dòng)比較強(qiáng)烈，并且每個(gè)臺(tái)階中部的壓強(qiáng)最高。影響臺(tái)階泄洪渠道消能率的變量主要包括單寬壓力、水態(tài)、泄洪渠道的坡度、臺(tái)階的高程與直徑、臺(tái)階的重量等。

關(guān)鍵詞：臺(tái)階式溢洪道；流態(tài)；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(shè)計(jì)，既體現(xiàn)了古代勞動(dòng)人民的聰明才智，也表明了溢洪道應(yīng)用的悠久歷史。

通常溢洪道多為開敞型的構(gòu)筑物，主要由入溝渠、節(jié)制段、泄槽段、消能防沖段和出溝渠段等幾部分構(gòu)成。由于水利工程事業(yè)的日益發(fā)達(dá)，泄洪渠道產(chǎn)生了多種類型，包括正槽泄洪渠、側(cè)槽泄洪渠、井式泄洪道等。它的消能形態(tài)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(xiàn)象時(shí)有發(fā)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(zhì)量差和工程造價(jià)較高等問題逐步顯露。相較光滑面泄洪渠，臺(tái)階式溢洪道是一個(gè)新興的消能工，有著巨大的優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)而降低了下游消力池的總?cè)萘?，從而減少了項(xiàng)目投入；其次，由于施工方法不復(fù)雜，能減少建設(shè)時(shí)間，從而減少了工程造價(jià)；另外，在某些項(xiàng)目中，泄洪渠道末端處因?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)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(shí)，通過利用臺(tái)階式溢洪道降低了消力池的直徑，可以克服消力池的設(shè)計(jì)和地質(zhì)環(huán)境上的問題[1]。因此，從20世紀(jì)60年代末開始臺(tái)階式溢洪道受到國內(nèi)外水利界研究人員的強(qiáng)烈關(guān)注。

1 流態(tài)

對臺(tái)階式溢洪道的正式研究并形成文獻(xiàn)資料大多是從20世紀(jì)80年代末，90年代初開始的。研究人員經(jīng)過大量的研究實(shí)踐，歸納出水流態(tài)的類型，按照傾斜高程、單寬流量、平臺(tái)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(tái)凹角內(nèi)有大量河流充滿，產(chǎn)生了回旋河流，河流在平臺(tái)內(nèi)旋滾，旋滾方位和主導(dǎo)方位相同，主要是靠水的紊動(dòng)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(tái)凹角內(nèi)的土壤和水域旋滾就愈強(qiáng)烈；留在平臺(tái)內(nèi)的回旋地下水體，與平臺(tái)凸角的連接一起構(gòu)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(chǎn)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(tái)階造成很大沖擊，在設(shè)計(jì)中應(yīng)給予足夠的重視。

（3）跌落水流（Nappe flow）。水流在通過臺(tái)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(tái)階水平表面還存在著一道水墊，河流下泄時(shí)跌落在水墊上，臺(tái)階空腔尺寸愈大，水墊厚度愈薄。當(dāng)較小單寬流速時(shí)，水流在起始階梯上產(chǎn)生挑射流，水流飛過了幾個(gè)階梯，接著在下一階梯上又產(chǎn)生較小跌水流，挑射流動(dòng)狀態(tài)中往往伴隨有大量水珠的飛濺，甚至個(gè)別水珠還飛得很高，甚至超過溢洪道邊墻高度。

對于流態(tài)的分類，各學(xué)者的結(jié)論基本一致，但是對于流態(tài)的判別卻有所不同，比較公認(rèn)的流態(tài)判別臨界公式有下面幾種[3]：

式中：yc為溢洪道進(jìn)口處的臨界水深；h為臺(tái)階高度；θ為溢洪道的斜坡角度。

2 流場與壓強(qiáng)特性

流場因其能反應(yīng)流速特征，在高速河流的科學(xué)研究中受到重視。研究人員采用了新型計(jì)算工具和數(shù)值模擬方法，探討了與流場壓強(qiáng)變化有關(guān)的特征。

基于壓強(qiáng)特性的有關(guān)研究成果，一些學(xué)者通過試驗(yàn)表明，跌落水流時(shí)，臺(tái)階水平上面的時(shí)均壓強(qiáng)均為正值，但接近臺(tái)階上部豎直安放表面的時(shí)均壓力可能出現(xiàn)負(fù)數(shù)；滑行水流時(shí)，臺(tái)階水平上面的時(shí)均壓力也是正值，但豎直安放表面上部仍可以產(chǎn)生負(fù)壓，并且流速時(shí)負(fù)壓大，流速大時(shí)負(fù)壓小，但相差較小，而且隨著坡度的增大負(fù)壓也增加[3]；李布靂[4]根據(jù)重力相似原則，通過模型試驗(yàn)，研究了在溢流壩坡度分別為40°、50°和60°的3個(gè)不同斜坡下，流臺(tái)階高程分別為16 cm、8 cm和4 cm的各種流速工況時(shí)均壓力特征，從而得出了在不同水流流態(tài)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(shí)均壓力特征都呈現(xiàn)出高低值交替的現(xiàn)象。時(shí)均負(fù)壓全聚集于階梯豎直面凸點(diǎn)周圍；臺(tái)階的表面均為正壓，并與流量的沖擊程度密切相關(guān)，大多聚集于臺(tái)階水平面凸點(diǎn)周圍。由于流速的增加，臺(tái)階豎直面的重力標(biāo)準(zhǔn)偏差區(qū)范圍縮小，而重力標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值上升，臺(tái)階水平表面的正壓數(shù)值亦相應(yīng)上升。

3 消能

對于臺(tái)階式溢洪道能量值的測算，人們通常采用先對臺(tái)階式溢洪道下游依次列能量守恒方程式，再以上下游的動(dòng)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(shù)。

而對于具體對臺(tái)階式溢洪道消能效率影響規(guī)律的探討，Stephenson[5]利用模型試驗(yàn)研究了臺(tái)階寬度對消能率的作用，提出當(dāng)上下游坡較陡、臺(tái)階上的水量為臨界水量的1/3時(shí)，能力的耗費(fèi)會(huì)加大，因而可采用加大臺(tái)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(tái)階高程之比和臺(tái)階個(gè)數(shù)；Rice和Kadavy[8]的研究則提出，臺(tái)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(guān)于臺(tái)階式泄洪渠消能的一些定性理論，而關(guān)于具體消能效果的直接數(shù)值顯示則是美國墾務(wù)局對世界上最早利用RCC臺(tái)階式溢洪道的建筑物—上靜壩的調(diào)查，結(jié)果顯示，階梯溢洪道的消能率相當(dāng)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(xué)者對于臺(tái)階式溢洪道的研究之外，國內(nèi)學(xué)者也做了大量的研究與分析。國內(nèi)首先開發(fā)臺(tái)階式溢洪道的是北京清華大學(xué)的才君眉等[10]，經(jīng)過試驗(yàn)研究，結(jié)果表明臺(tái)階式溢洪道的消能效率比較好，可以達(dá)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(tái)階趾部，產(chǎn)生了渦流和摻氣；戴秋萍等[11]對臺(tái)階式溢洪道消能方法的開發(fā)與研究工作做了總結(jié)，闡述了臺(tái)階式溢洪道的流態(tài)、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(tǒng)介紹了泄洪溝消能效率的計(jì)算公式、消能效率的主要影響因子、階梯式泄洪溝的主要應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)行比較，綜合分析了這2種方式各自的優(yōu)點(diǎn)，比較結(jié)果顯示，相較于傳統(tǒng)光滑面泄洪渠道，臺(tái)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(jié)論一致；秦廣莉[12]應(yīng)用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與理論研究耦合方式，綜合分析了臺(tái)階式溢洪道臺(tái)階高程、流速、邊坡對消能率的負(fù)面影響，結(jié)果表明，其他參量相同時(shí)，臺(tái)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(shí)際工程建設(shè)中難于明確樓梯斜坡比適用范圍的實(shí)際問題，利用了4個(gè)水利工程、5個(gè)樓梯斜坡比適用范圍的建模實(shí)驗(yàn)，明確了對工程建設(shè)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(guī)律，為臺(tái)階式溢洪道研究開辟了新的途徑，對于實(shí)際的工程應(yīng)用起到了較大的幫助。

4 其他研究

隨著對臺(tái)階式溢洪道實(shí)際施工應(yīng)用研究和基礎(chǔ)科研工作的逐漸開展，人們對其了解越來越具體和細(xì)致。為防止臺(tái)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(tái)階有機(jī)的結(jié)合，比如，將摻氣分流墩與臺(tái)階有機(jī)地結(jié)合，將寬尾墩與臺(tái)階有機(jī)地結(jié)合，還有在臺(tái)階前端設(shè)有通氣孔和前裝摻氣坎等。彭勇等[16]在對前置摻氣坎式臺(tái)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(chǔ)上，利用角動(dòng)量矩方程推導(dǎo)出了臺(tái)階式溢洪道在產(chǎn)生均勻水流時(shí)的摻氣平均水量與消能率計(jì)算公式，確立了在不同的單寬流速下?lián)綒馄骄颗c臺(tái)階寬度間的比例關(guān)系，及其與臺(tái)階寬度、階次和消能速率間的定量關(guān)系。

此外，弗汝德數(shù)也是表示河流能力特征的一種參數(shù)，曲更龍[17]為了正確地表達(dá)梯坎尺寸變化規(guī)律對泄洪渠道消能段相應(yīng)流量和相應(yīng)弗汝德數(shù)關(guān)系變化規(guī)律的深遠(yuǎn)影響，選取重慶市柏葉口水力發(fā)電總廠泄洪渠道為研究對象，設(shè)定5組不同梯坎高程的方案設(shè)計(jì)，通過物理建模實(shí)驗(yàn)，將這5組方案設(shè)計(jì)分別表現(xiàn)在物理模擬中，利用概化實(shí)驗(yàn)加以比較分析。研究表明，非平穩(wěn)流動(dòng)流態(tài)下，相應(yīng)速度和相應(yīng)弗汝德數(shù)顯示出的正常線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.985～0.992；而梯坎高程對相應(yīng)速度和相應(yīng)弗汝德數(shù)顯示出的垂直或偏斜幅值，基本沒產(chǎn)生影響。

5 總結(jié)與展望

（1）對于臺(tái)階式溢洪道的流態(tài)，各學(xué)者對于流態(tài)分類的結(jié)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(tài)的判別準(zhǔn)則，目前還沒有統(tǒng)一的結(jié)論，但已有少數(shù)學(xué)者給出了相對可行的經(jīng)驗(yàn)公式。

（2）根據(jù)臺(tái)階式溢洪道的流場和水壓力特點(diǎn)，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(tái)的凹角內(nèi)有順時(shí)針旋渦現(xiàn)象；跌落水流的紊動(dòng)比較強(qiáng)烈，部分臺(tái)階凹角會(huì)產(chǎn)生旋渦。對于壓強(qiáng)特性，一般規(guī)律是以臺(tái)階相交處為分界線將模型底部劃分為多個(gè)板塊并呈規(guī)律性分布：每個(gè)臺(tái)階中部壓強(qiáng)最高，然后逐漸向上下兩級臺(tái)階的交界處減少，并且在臺(tái)階垂直面上還會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，之后便進(jìn)入下一個(gè)板塊開始下一個(gè)循環(huán)。

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

目前，臺(tái)階式溢洪道的相關(guān)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(tái)階摻氣過程中，氣體與水流是如何相互作用的；能否在臺(tái)階面上加入額外的消能工進(jìn)一步提高消能率；臺(tái)階凸角角度是非直角時(shí)對水力參數(shù)有什么樣的影響等。

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