台阶式溢洪坝的消能

台阶式溢洪坝的消能当水流经泄水建筑物下泄时，由于上下游的水位落差和集中泄流，单宽流量剧增，使得下泄水流具有很高的流速和紊动性，从工程观点看，应尽可能使下泄水流的巨大动能在较短的距离内消耗掉，以保护枢纽建筑物的安全，使下泄水流与下游水流顺利安全衔接，减轻和防止下游河床的冲刷。常见的消能方式有地流式消能、挑流式消能、面流式消能、底孔消能，本文介绍的是台阶式消能。台阶式溢流坝是一种古老而又全新的泄水建筑物形式。其工作原理就是利用溢流坝台阶段对水流的阻力，使下泄水流在台阶之间形成水平轴旋滚，并与坝面主流发生强烈的混掺作用，迫使水流产生强烈地紊动，大量掺入空气，从而达到消能的目的台阶式溢流坝的应用已经有3000多年的历史181，公元前1300多年，古希腊就曾在Akarnania修建了一座土质溢流堰，并将堰的表面用块石砌护成台阶形式。在19世纪和20世纪初以前，世界上就建造了很多台阶式的溢流坝，但随着利用水跃消能的消力池的发展，其逐渐淡出人们视野191。近二十多年来，随着碾压式混凝土(RCC)筑坝技术的兴起，由于台阶式溢流坝中台阶高度的设置能很好的适应碾压混凝土(RCC)筑坝分层施工的要求以及台阶段具有较高的消能效率，台阶式溢流坝的应用产生了飞跃式的发展，得到了国内外水利界科研人员和工程技术人员的广泛重视，并对此进行了大量的试验研究1101.近几十年间，在世界各地的水利工程中修建了许多台阶式溢流坝，其中以美国的上静水坝(UpperStillwaterDam)为代表.到目前为止，世界上已建成RCC台阶式溢流坝60余座，而且有数座正在施工兴建中。下表为部分在建或者已建的国内国外工程实例。表1一1若干个采用台阶消能工程一览表名称所在亩(m)台阶高㈣最大单竟流量(mVs.m)泄携宣㈣状悉芒克斯维尔美国480.619.36i已建名称所在国坝高(m)台阶高(m)最大单宽流量泄槽宽(E)状悉扎依«克南非471.015,6已建朴多马亚委内璃拉770.602L7已建布尔东峡1漠大利亚26L20逐160已建内斯阿列维梯斯法国360.606.6[40已建上静水美国910.6111.6「183已建大朝山中国Hl1.023.8在亶百色中国130Q9:120在建由此可见，台阶式消能在现在的水工建筑物中的应用还是很广泛的。一改传统溢流坝在出口处集中消能的形式，使得水流在下泄过程中将能量逐渐消散，不仅有效的避免了建筑物发生空蚀破坏的危险，而且简化了下游的消能设施，节省了工程造价。一、与传统的光面溢流坝相比，台阶式溢流坝主要有以下几个优点:消能效率高国外有学者研究得出，在相同坡度、相同单宽流量的情况下台阶式溢流坝的消能率是光面溢流坝的两倍多，具体参数可见下表，通过比较，在渲泄相同流量情况下，台阶式溢流坝的消能率比光面溢流坝高出2.4〜2.9倍。表1-2台阶式滋流痍与光面溢流坝消能率比较强单宜流员台阶式溢流坝光面滋流顼 总水头H(m)水头损失消能率(H)总水头H(m)水头损失A/f(m)消能率(%)两者之比14,521.6，10.3482L6"4.3202.411.3址173b9.6620.5，跋.95820.5，4.120238.6h16,5b5.3119.5*13.971195*4.9252.85.6妒14.6bH,为溢流煨处的总水头，为泄槽末端的总水头；节省工程投资由于台阶式溢流坝台阶段的消能效率高于传统的光面溢流坝泄槽段的消能效率，因此缓减了下游消能的压力，只需较短的消力池即可，从而节约了工程造价。ChariesE-Rice112］通过模型试验发现台阶式溢流坝后的消力池大约为光面溢流坝后消力池的 70%oLPeyraslla)等人在研究后也得出如下结论:溢流坝采用台阶后可以节省10%-30%的消力池，节省5%-10%的工程投资。而美国垦务局对上静水坝的研究表明台阶式溢流坝的消能效率超过光面溢流坝约75,下游消力池长度可缩短50%.适应机械化施工要求，可以加快施工进度，缩短工期，使建筑物尽快发挥效益，台阶式溢流坝是随着碾压混凝土(RCC)施工技术的发展而发展起来的，研究与实践表明，与传统的混凝土浇注施工相比，采用混凝土碾压施工技术，可以使用土石坝施工的运输机械运输碾压混凝土，用振动碾压实，工艺简单，施工进度加快，工期缩短。（4）降低建筑物发生空蚀破坏的危险，减小建筑物维护费用。近年来，随着我国筑坝水平的提高，几座超高坝（如:龙潭电站大坝:210m，小湾电站大坝:290m，锦屏一级电站大坝:300m）相继开工建设，在这些高坝的建设中，所遇到的高速水力学问题难度之大，世所罕见，采用传统的光面溢流坝，给建筑物的防止空蚀破坏以及消能带来很大的压力。与传统的光面溢流坝相比，由于水流在台阶式溢流坝台阶段遇到较大的阻力，使得水流流速有效降低，减小了建筑物发生空蚀破坏的危险，从而使得建筑物的维护费用大大降低二、台阶式溢洪道的水流流态分类一般可将台阶式溢洪道的水流流态分为以下三类：1、滑行水流。当水流流过台阶表面时，在主流与每一个台阶之间总是形成一个稳定的水流漩涡。漩涡的强度主要依赖于台阶式溢洪道坡度的大小和尺寸，漩涡的旋转方向在与主流接触的一侧，同主流流动的方向一致，当台阶式溢洪道的坡度较大时（30°<0W55。），在各台阶边缘的连线上形成一个假想的底层，而且在该水面以上至水流表面的流线基本上与底层平行，水面波动较小（图1a），当台阶式溢洪道的坡度较小时（5.7°W0W11.3。），漩涡则紧贴台阶立面，在靠近台阶的外侧，主流直接冲击台阶表面，水流表面的形状受到台阶的影响多少有一些弯曲（图1b）.2、跌落水流。当台阶的高度相对于来流的水深较大时，水流在每一个台阶上形成一种自然的跌落现象，并且在跌落水舌与台阶水垫之间总是形成一个空腔，台阶空腔内有自由水面形成（图2次），当台阶的坡度较缓时，在台阶的下游侧，会形成类似水跃或半水跃的水面雍高现象，台阶内水面出现最小值，流线弯曲，并伴有剧烈的紊动现象（图2b）.3、过度水流。过度水流是在滑行水流和跌落水流之间形成的一种水流现象，在有些台阶内出现空腔，但在另外一些台阶内则出现漩涡水流，过度水流形成很强的水力波动和冲击波，流态很不稳定（图3a）。ChansonH在分析过渡水流时，把较小坡度（。=3.4°）的过渡水流分成三个区：水流旋转区、水点飞溅区和急流区，当泄槽坡度较陡时（。=22°），急流区消失；在水点飞溅区，水面出现最小值，而且在该区水点飞溅很高，甚至超过滑行水流的边墙高度，因此，在设计中应给予足够的重视（图3b）.1、消能率的研究针对台阶式溢流坝的消能效果，很多学者都进行过研究认为台阶式溢流坝的消能率随过坝单宽流量的增加旱下降的趋势，这与台阶式溢流坝坝而流态的观测结果是一致的。当台阶高度一定时，消能率随单宽流量的增大而减小;在单宽流量一定时，消能率随台阶高度的增高而增加。台阶式溢流坝消能率计算较为直接的办法就是根据能量守恒原理，计算坝而上、下游断而水流能量的损失率：邛=芝XKX）%=、；、X100%式中E1,E2分别为坝而上、下游断而单宽水体总能量。澳人利亚的Chansons推导出台阶式溢流坝而滑移流的消能率计算公式：ae_]_（8二/8展+顶（【M）-虬〕 反而H 3~+T式中△£绍为能量损失;E为上游的总能量；,为临界水深；0为0 0坝而的倾角；H为坝高，f为摩擦系数。2、枢纽布置及模型某水电站枢纽工程采用了碾压混凝土重力坝挡水方式布置，溢流段使川无闸控表孔泄洪，表孔为开敞式WES实用堰型，堰顶高程540m,堰孔宽度18m，共3孔，溢流堰总宽59m（包括闸墩）。堰顶最大设计水头为7m，按75%的最人设计水头取定型设计水头为5.25m,堰顶上游曲线采用椭圆曲线，堰而采用幂曲线接坡比1:0.85的坝身溢洪道，1000一遇洪水下泄流量275m3/s,10000a—遇洪水下泄流量550m3/s，可能通过最人洪水下泄流量1600m3/s堰身泄洪采用台阶式溢流而联合下游挑流消能方式，单宽流量3.16〜35.59m3/（s・m）。而台阶起始位置设于坝顶曲线段末端，起始台阶高雅35.57m,末级台阶高程413.57m;台阶高度选用1.0m,台阶数122级。断面模型试验选用水槽宽度B=0.6m,上游模型高H=2.8m模型尺度比尺为L=68.33,模拟两孔（含两个整墩），在每隔10级台阶的立而和平而上分别均匀布置两个压力测点，测点布置见图2。5I乩UU▽5他仪〕口淄55I乩UU▽5他仪〕口淄5丁为了全而了解台阶式溢流坝的坝而消能情况，本次试验分别测定LL&召“如图2台阶压力测点布置（单位：m）3、实验成果与分析了台阶坝面掺气的起始位置、坝面水面线、坝面压力和台阶消能率，并通过试验结果拟合了台阶坝的消能率计算公式。3.1台阶坝面掺气的起始位置在不同的流量条件下，分别观测了台阶坝而的掺气情况，其试验结果见表1和图3。

表1台阶坝面掺气起始位置特征值流量/单宽流蜀未搂气区台阶数/级过渡区台阶数/级充分掺气区台阶数/纹1873.16123-1222343.961~23-45-1222754.661~45-67-1225509.321~910~1314〜122100016.951〜1920~2812216<1027.121-2930-4041-122210035.591~373"4546-122从表1的观测结果可知，台阶坝面掺气点的位置随着单宽流量的增加而逐渐下移。这说明了对于坝高较低的台阶式溢流坝，当单宽流量达到一定值时，坝而台阶掺气并不充分，并会由此带来空化空蚀的危险。从图3可以看出，开始和充分掺气台阶数与流量基本成线性关系，充分掺气台阶数与流量的关系线比开始掺气台阶数与流量的关系线的斜率大，也就是说，流量越大，掺气过渡区台阶数越多。图3开始和充分掺气台阶数与流量关系

表1和图3试验成果表明，在单宽流量：10m3/(s・m)以下时，起始掺气点置在13级台阶附近，此处坝而流速相对较低水流掺气不充分不会有其他危害。3.2台阶坝面水面线台阶坝而水而线如图4所示。在未掺气区，水深流速与光滑坝而相同，进入掺气区后，由于水体中含气量增大，沿程水深减小而流速增大的梯度越来越小，至充分掺气区水深沿程反而增大，流速基本不变。-mi永曲线16.95Hi水面线)水面线■1]G.0U图-mi永曲线16.95Hi水面线)水面线■1]G.0U图4台阶坝面各单宽流量水面线12i齐弟水面线在各典型流量情况下台阶坝而与光滑坝而掺气前后水深变化值比较可见表2。经比较分析可知，在相同水流条件下的同一断而，台阶坝而与光滑坝而比较，水深增大，而流速减小，充分说明了台阶具有良好的消能效果。表2典型单宽流量情况下坝面水深比较光擀蝴 台阶则高程466侦9.3216.9527.1235.59n?伯岫4.66n?/（8k1n）9.3216.95血3/（河27.1235.59534.570.631.101.692.402.S60.51].（M].792.583.38505.570.150.290.510.791.010.410.77].0SL茵1.57475.570.090.170.3]0.4S0.620.320.510.K5L璃l.M439.570.060.120.220.340.44Q410.6K1.121.571.65419.570.050.110,190.3]0.400.410.771.171.571.703.3台阶坝面压力试验结果表明，台阶溢流坝而上一般小出现较大的负压，台阶垂面上部压力最低，垂而下部次之，易产生负压，台阶水平面均为正压，水舌冲击区压力最大。随着溢流坝泄流量的增加，台阶水平而压力增大，而垂直面的压力则表现为先减小后增大的趋势，当增大到一定值时，台阶面的各方向均表现为正压，而台阶间所产生的旋涡压力则表现为负压。3.4台阶消能率根据本次试验实测按式(1)计算的消能率见图5.结果表明，台阶坝面的消能率随着单宽流量的增大而减小，单宽流量自3.16〜35.59m3/(s-m)，相应的消能率达到80%以上，可见在相应单宽流量范围内台阶坝面的消能率是相当高的。HO > 1—— 10 IO 20 30 40单宽流■奇')图5单宽流量与消能率关系从图5可以看出，当单宽流量很小时，台阶的消能率是很高的，单宽流量q<5m3/(s-m)时，消能率可达90%以上，在5m3/(s•m)<q<35m3/(s・m)范围，消能率达到80%〜90%,其随单宽流量的增大而减小的趋势比较平缓。再根据试验结果，用量纲和谐原理和回归分析方法可以得到台阶溢流坝而消能率的计算式。通过分析可知，影响台阶坝而消能率的主要因素为台阶坝高P、台阶的突出高度△、台阶坝的坡度