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1、臺(tái)階式溢洪道的設(shè)計(jì)摘要：本文參考國(guó)外研究成果，著眼于臺(tái)階式溢洪道的設(shè)計(jì)方面，探討臺(tái)階式溢洪道的不同運(yùn)用和機(jī)理。關(guān)鍵詞：臺(tái)階溢洪道設(shè)計(jì)近年的科技發(fā)展使得建造高壩和大水庫(kù)有了可能。這些新科技成為發(fā)展新設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的必要，特別是與保證充分的泄洪設(shè)施有關(guān)的方面。陡槽和溢洪道通過(guò)水力建筑物將大量水流瀉出去而不對(duì)建筑物本身和周圍環(huán)境造成大的損害。溢流式溢洪道經(jīng)壩頂泄洪，水流作為明槽水流或自由溢流下泄，并需要將水流中的大部分動(dòng)能釋放掉；否則，溢流可能危及下游、周圍甚至大壩本身。工程中一般采用以下三種方式進(jìn)行消能：高速水流從挑流鼻坎挑入水
2、墊塘中；在溢洪道下游建造標(biāo)準(zhǔn)消力池，以形成水躍并消掉大部分的能量；在溢洪道上設(shè)置臺(tái)階，水流流過(guò)粗糙的或有臺(tái)階的泄槽，就能消去大部分的能量。在臺(tái)階式陡槽上，水流沿著溢洪道表面的臺(tái)階流動(dòng)，明顯地提高消能率；于是，排除或極大降低了在溢洪道末端進(jìn)行大量消能的必要性。臺(tái)階式溢洪道的運(yùn)用在過(guò)去的幾十年里，臺(tái)階式溢洪道已經(jīng)成為一種很風(fēng)行的安全泄洪方式。碾壓混凝土的發(fā)展又增強(qiáng)了臺(tái)階式溢洪道的興趣。上面已提到了的，在臺(tái)階式溢洪道中，水流沿著溢洪道表面的臺(tái)階流動(dòng)，明顯地提高消能率；因而，減少了下游消力池的規(guī)模和費(fèi)用。臺(tái)階也可用于暴雨渠道中的消能
3、。在挪威，臺(tái)階也被用在明流的泄洪隧洞中，以提高消能。這種設(shè)計(jì)允許在豎井的上游卷出空氣，以避免豎井中有空氣。臺(tái)階布置也被用于水處理廠中。階梯式布置和跌水還被沿河和溪流所引用，以便給低溶氧的水充氧。臺(tái)階式的溢洪道能建造在各種地形上。插圖1-舌形水流形態(tài)臺(tái)階式泄槽由在底板上有多級(jí)跌水的開(kāi)敞式渠道組成。臺(tái)階上的水流分成兩種形態(tài)：舌形水流（插圖1）和表層水流（插圖2）。在舌形水流形態(tài)中，總的水流跌落可以分成許多小的自由跌落；水流的過(guò)程就是從一個(gè)臺(tái)階到下一個(gè)臺(tái)階的不斷跌落。在大多數(shù)情況下，水流從每個(gè)臺(tái)階跌落沖擊下一個(gè)臺(tái)階上，并隨之產(chǎn)生一
4、個(gè)水躍。水流經(jīng)在臺(tái)階上的射流摻混，在空氣中破裂，在臺(tái)階上形成的完全水躍或不完全水躍來(lái)消能。對(duì)于舌形水流形態(tài)，臺(tái)階的水平長(zhǎng)度需要相對(duì)大些，這種情況并不經(jīng)?？梢詫?shí)現(xiàn)，但是卻適用于比較緩的溢洪道，河流和臺(tái)階式渠道。3而在表層水流形態(tài)中，沿臺(tái)階表面向下的水流表現(xiàn)為粘滯流，表層水流流過(guò)臺(tái)階，并有臺(tái)階間的洄流作為水墊。臺(tái)階的外角連線形成了水流流過(guò)的虛擬底板。在這虛擬底板下面，產(chǎn)生了洄流旋渦，水流通過(guò)臺(tái)階外角剪切力的傳遞保持的這些旋渦。在溢洪道最初的臺(tái)階上，水流平滑并沒(méi)有空氣摻入；而在最初幾個(gè)未摻氣的臺(tái)階以后，水流表現(xiàn)為：當(dāng)快速發(fā)展的邊界
5、層到達(dá)水流表面時(shí)，空氣強(qiáng)烈地?fù)饺肓耍ú鍒D3）。由于動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋渦的作用，加強(qiáng)了消能效果。大壩上，表層水流形態(tài)比舌形水流形態(tài)消能更充分。對(duì)于泄量小且底坡比較平緩的情況，水流表現(xiàn)為連續(xù)跌落的舌形水流。泄量增加或底坡變陡則可能導(dǎo)致出現(xiàn)表層水流形態(tài)。當(dāng)自由跌落水舌下的空腔消失時(shí)，表層水流形態(tài)就開(kāi)始出現(xiàn)了。這種現(xiàn)象與摻氣設(shè)施和通風(fēng)孔的的空腔充填（或稱淹沒(méi)）類似。插圖2-表層水流形態(tài)表層水流形態(tài)的發(fā)生是受泄量、臺(tái)階高度和長(zhǎng)度等因素的作用。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)的研究，得到以下表達(dá)式：式中：dc—臨界水深；h—臺(tái)階高度；—臺(tái)階級(jí)寬。雅蘇達(dá)和歐蘇（1
6、999年）提供了兩個(gè)方程式，用于確定舌形水流流態(tài)上限和表層水流形態(tài)的下限。公式如下：拉甲拉特南（1990）簡(jiǎn)化了表層水流的判別式，采用以下簡(jiǎn)化公式確定是表層水流還是舌形水流。如果>0.8，是表層水流。斯迪芬森（1991年）提出了以下判別式來(lái)確定是否是舌形水流。是舌形水流，且，當(dāng)時(shí)，水流處于過(guò)渡（舌形水流或表層水流）狀態(tài)。設(shè)計(jì)的不同方面臺(tái)階式溢洪道水力設(shè)計(jì)的主要方面可列舉如下：i)消能和臺(tái)階尺寸；ii)摻氣和消氣；iii)初始點(diǎn)的確定。i)消能臺(tái)階式溢洪道的消能率是臺(tái)階尺寸和泄槽縱坡的插圖3-臺(tái)階式溢洪道流態(tài)函數(shù)。坡度增
7、大，消能率減??；而臺(tái)階尺寸越大，消能越多。舌形水流的消能隨臺(tái)階數(shù)的減少而增加，隨縱坡坡度的增加而減小。ii)摻氣和消氣臺(tái)階式溢洪道中，坡度越陡則摻氣相應(yīng)增加。隨著臺(tái)階尺寸的加大，相應(yīng)也增大了摻氣。但是，摻氣多卻使溢洪道的消能率降低，水體膨脹。為減小空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)，摻氣水流中至少需要大約4%~8%的含氣濃度。水中溶氣對(duì)環(huán)境的影響也相當(dāng)嚴(yán)重。在深池中，高摻氣的水流在光照射下，造成靜水壓力迫使大氣中的氣體溶解；由于氣泡損傷，導(dǎo)致幼魚(yú)死亡。為避免上述情況發(fā)生，設(shè)計(jì)溢洪道時(shí)應(yīng)限制水的飽和度到110%TDG左右。采用臺(tái)階式溢洪道，在消能
8、上能有所幫助，可形成淺的消力池，降低摻氣水流中靜水壓力的作用。iii)確定初始點(diǎn)3初始點(diǎn)是邊界流與水流上游面的交點(diǎn)。在初始點(diǎn)之前，可能會(huì)有空穴發(fā)生，而在初始點(diǎn)之后，由于摻入了一定量的氣體，空穴風(fēng)險(xiǎn)就降低了。如果泄量大些，則初始點(diǎn)下移，形成一大片未摻氣水流區(qū)，該范圍空穴風(fēng)險(xiǎn)實(shí)際上存在于較高的
