關(guān)于大壩溢洪道臺階式消能探究

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1、關(guān)于大壩溢洪道臺階式消能探究　　【摘要】臺階式溢洪道是結(jié)合RCC技術(shù)提出的一種具有高消能率的溢洪道新形式，它主要集中在臺階段，可以大大縮短消力池的長度，可以降低投資。本文總結(jié)了溢洪道臺階式消能的使用范圍、消能率的影響因素和計算公式等各方面進行了研究?！娟P(guān)鍵詞】溢洪道臺階式；消能；研究1引言6今年來，隨著RCC技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，對溢洪道的體型設(shè)計產(chǎn)生了巨大影響，水利工程中為了消除大壩所形成的水流能量，一般都采用溢洪道，在設(shè)計過程中，對溢洪道的局部不平整度做了嚴(yán)格規(guī)定，以防產(chǎn)生空蝕破壞。因此，溢洪道臺階式優(yōu)于其他的設(shè)計方式而備受社

2、會水利工程人員的強烈關(guān)注，并對此做了大量的研究。關(guān)于溢洪道臺階式的應(yīng)用，目前仍存在著各種不同的說法和結(jié)論，有必要進一步做出研究。比如，大壩按功能分為擋水建筑物和泄水建筑物，對于泄水建筑物的設(shè)計通常會做水力學(xué)計算，計算泄流能力是否滿足下泄要求，還有就是消能計算，看從泄水建筑物泄下來的水對下游河道產(chǎn)生的影響有多大，是否需要設(shè)置消能設(shè)施避免洪水對河道帶來沖刷破壞。溢洪道臺階式消能就是通過在溢洪道表面設(shè)計臺階來提高消能率，從而使下游的消能設(shè)施規(guī)模降低，減少工程投資。2溢洪道臺階式水流流態(tài)研究溢洪道臺階式水流流態(tài)是研究開敞臺階式溢流壩的

3、切入點，其發(fā)展情況直接關(guān)系到水流對溢洪道的作用，若流態(tài)不佳會對溢洪道產(chǎn)生不利影響。目前將溢洪道水流流態(tài)分為三種流態(tài)，及滑行水流、過渡水流、跌落水流。滑行水流。目前我們研究分析，當(dāng)水流流過臺階表面時，主流與臺階之間會形成一個穩(wěn)定的水流漩渦，它主要依靠溢洪道臺階式坡度的尺寸和大小。主流的流動方向與漩渦旋轉(zhuǎn)方面的主流接觸方向一致，當(dāng)溢洪道臺階式坡度在30°和55°之間時，在此范圍的各相連臺階邊緣會形成一個理想的底層，并與該水面至水流表面平行，造成水面波動較小。如果溢洪道的坡度在5.7°和11.3°之間，在靠近臺階的外側(cè)即旋渦緊貼臺階

4、的對面，主流會沖擊臺階，造成水流表面的形狀變彎，使之臺階受到影響。過渡水流。在跌落水流和過渡水流之間形成的一個水流現(xiàn)象，在有些臺階出現(xiàn)旋渦水流，則有些地方出現(xiàn)空腔。過渡水流會產(chǎn)生很強的沖擊波和水力波動，以至于造成流態(tài)不穩(wěn)定，在溢洪道臺階坡度為3.4°時，對過渡水流進行分析，可以分為三個區(qū)，即水流旋轉(zhuǎn)區(qū)、水點飛濺區(qū)和急流區(qū)。在泄槽坡度為22°較陡時，水點飛濺區(qū)的水面出現(xiàn)最小值，并飛濺很高，超過邊墻高度，同時，急流區(qū)消失。6跌落水流，自由下落的射流跌落在下一級臺階，并伴隨水躍，主要分為完全水躍和不完全水躍兩種跌落形式。完全水躍跌落

5、是指在小流量和水深較淺時出現(xiàn)，在水躍落到最小水深時，與臺階之間的落點形成一個比水躍落水較高的水墊，并出現(xiàn)緩流與急流的交替形式。另外，不完全水躍一般在大水量出現(xiàn)時才形成，水躍落點由于撞機臺階，發(fā)生劇烈的紊動，可以通過計算公式，在h/l的范圍為0.2和6之間時，通過h/l確定臨界值，將計算出完全水躍的跌落水流狀態(tài)。跌落水流與滑行水流的區(qū)別在于壓力分布，跌落水流一般是在一系列的自由下落形成，因此，一般是在失重狀態(tài)，跌落水臺與臺階水墊之間形成的空腔為負(fù)值，或者說是壓力梯度為零。由于滑行水流的穩(wěn)定水流旋渦，則是靜水壓力分布。這也就說明這

6、之間造成的過渡水流會引起壓力重新分布，造成工程失事或者輕微的震動，在設(shè)計時，盡量避免建筑物在過渡水流下運行。同時很多實驗研究表明，當(dāng)流速較低、水深很淺時水流會出現(xiàn)偏折現(xiàn)象，即水流從第1級臺階向外向下發(fā)生偏折而落在相隔幾級的臺階上，可通過設(shè)置尺寸由小到大的過渡性臺階來消除。如何確保流態(tài)的穩(wěn)從而獲得更高的消能率也是本項研究的重點。3消能率的研究6消能率的影響因素是一個很有爭議的問題，消能率的影響因素很多，如單寬流量、水流的流態(tài)、溢洪道的坡度、臺階的高度和寬度、臺階的個數(shù)、溢洪道的斷面尺寸等等。首先單寬流量對消能率的影響，設(shè)計一個壩

7、坡為1：0.75高為50m的溢洪道臺階，針對不同的單寬流量進行研究，對壩面流場進行紊流數(shù)值模擬，把流量的入口水深和斷面平均流數(shù)作為已知條件，計算出消能率，可以得知隨著壩面單寬流量的增大，消能率而減小。這主要是由于單寬流量增大時，水面壓力也增大，造成負(fù)壓也增大，使得壩面產(chǎn)生空蝕破壞，因此我們在設(shè)計單寬流量時，最好加入人工摻氣以減小壩面負(fù)壓值。同理，在設(shè)計溢洪道的坡度時，采用臺階式消能可以獲得較高的消能率，并隨著壩坡的變緩而近似線性增大，但同樣需要避免壩坡臺階立面的負(fù)壓值增大，發(fā)生空蝕破壞。同樣，臺階尺寸對消能率的影響，我們設(shè)置均

8、勻的階梯高度為1m，另外增加三種階梯尺寸溢洪道的堰面曲線和壩坡、反弧段，改變臺階尺寸，并對每種尺寸設(shè)置過渡階梯，當(dāng)流量較大時，臺階高度范圍為1-2m，消能率與臺階尺寸成正比關(guān)系，增大而增大，2m以后，變化較小。當(dāng)流量較小時，高度為2m，不管臺階尺寸增加或減小，消能率都增大。6