秦廣莉

（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆阿克蘇843000）

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臺(tái)階式溢洪道消能率影響因素分析

秦廣莉

（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆阿克蘇843000）

摘要：臺(tái)階式溢洪道利用臺(tái)階改變水流方向，導(dǎo)致水流動(dòng)能耗散，對(duì)提高溢洪道消能效果具有重要意義。與光滑溢洪道相比，臺(tái)階式溢洪道的消能率更高，因此在水利工程中得到廣泛應(yīng)用。臺(tái)階式溢洪道消能效果主要用消能率衡量，與光滑溢洪道比，臺(tái)階式溢洪道的水力參數(shù)更加復(fù)雜。采用室內(nèi)試驗(yàn)與理論分析耦合方法，分析了臺(tái)階式溢洪道臺(tái)階高度、流量、坡度對(duì)消能率的影響。研究表明：其它參數(shù)相同時(shí)，臺(tái)階式溢洪道長(zhǎng)度增加，消能率增加；單寬流量增加，消能率減小；臺(tái)階高度增加，消能率增加。

關(guān)鍵詞：臺(tái)階式溢洪道；影響因素；消能率

臺(tái)階式溢洪道消能效果主要用消能率衡量，與光滑溢洪道比，臺(tái)階式溢洪道的水力參數(shù)更加復(fù)雜。光滑溢洪道的消能率很低，消能效果遠(yuǎn)小于臺(tái)階式溢洪道［1-2］。本文研究的臺(tái)階式溢洪道為中型水庫(kù)泄洪消能通道。該水庫(kù)樞紐工程由高72.2m的雙曲拱壩，高58.6m水庫(kù)進(jìn)水口，引水洞、消能電站及導(dǎo)流洞等建筑物組成。水庫(kù)是以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧發(fā)電的中型水庫(kù)。進(jìn)水口底高程為241.5m，頂高程為299.60m，高差58.10m，該水庫(kù)設(shè)計(jì)采用臺(tái)階式溢洪道，后接挑流鼻坎及下游尾水渠。

目前，臺(tái)階式溢洪道消能率計(jì)算主要是參考光滑溢洪道的計(jì)算方法，沒(méi)有反映出臺(tái)階對(duì)消能的貢獻(xiàn)［3］。臺(tái)階式溢洪道的消能效果比光滑溢洪道好，從工程角度看，研究臺(tái)階式溢洪道消能率具有重大意義［4］。基于國(guó)內(nèi)外研究情況，本文采用室內(nèi)試驗(yàn)與理論分析耦合方法，分析了臺(tái)階式溢洪道臺(tái)階高度、流量、坡度對(duì)消能率的影響。希望為今后臺(tái)階式溢洪道設(shè)計(jì)及消能率計(jì)算提供參考。

1　臺(tái)階式溢洪道消能率

臺(tái)階式溢洪道消能效果優(yōu)于光滑溢洪道，特別在小單寬流量下，臺(tái)階式溢洪道的消能效果更加明顯［5-6］。光滑溢洪道也存在粗糙度，因此其本身也具有一定消能率，但臺(tái)階式溢洪道分為光滑消能率和純臺(tái)階消能率。光滑消能率與同長(zhǎng)度的光滑溢洪道相同，因此只有純臺(tái)階消能率較大時(shí)，臺(tái)階式溢洪道的消能效果才較為明顯。因此，在建立試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，在光滑溢洪道的基礎(chǔ)上加裝臺(tái)階組成臺(tái)階式溢洪道模型，并采用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程對(duì)該模型進(jìn)行求解，得出模型的能量損失［7］。假設(shè)臺(tái)階式溢洪道進(jìn)口總能為E1，出口總能量為E2，則溢洪道的能量損失為：

消能率為：

進(jìn)口總能：

出口總能：

式中：Z1為上游斷面的高程；H1為上游水位；H2為下游水位；v1為上游平均速度；v2為下游平均速度；α為流速系數(shù)，本文取1；θ為坡角。

流量相同時(shí)，隨著溢洪道長(zhǎng)度增加，消能率逐漸變大，且增加速度逐漸變快，說(shuō)明臺(tái)階式溢洪道內(nèi)部水流剪切作用劇烈，與光滑溢洪道相比，其具有較大的沿程阻力；長(zhǎng)度相同時(shí)，隨著流量增加，消能率逐漸降低。

2　臺(tái)階式溢洪道消能率影響因素

2.1 臺(tái)階高度對(duì)消能率影響

前文提到，臺(tái)階式溢洪道消能率影響因素主要有臺(tái)階高度、流量、坡度、溢洪道長(zhǎng)度等。因此首先研究臺(tái)階高度的影響，為了保證試驗(yàn)的精確性，采用單一變量法進(jìn)行研究，取溢洪道坡角θ =35°，溢洪道流量為q=21.2m3/s·m，臺(tái)階高度分別為0.5m、1m、2m［8］。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制臺(tái)階式溢洪道消能率與流程長(zhǎng)度L的散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖1。

圖1　臺(tái)階高度對(duì)溢洪道消能率的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，流量相同時(shí)，不同臺(tái)階高度對(duì)溢洪道消能率的影響不大，相同長(zhǎng)度處的3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)基本重合，最大差值僅為8%。由此說(shuō)明臺(tái)階高度對(duì)臺(tái)階式溢洪道消能率的影響不大。從圖1看，消能率與流程長(zhǎng)度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)系數(shù)為0.996。試驗(yàn)結(jié)果表明：臺(tái)階高度對(duì)臺(tái)階式溢洪道消能率的影響不大，臺(tái)階高度增加后，消能率只是略微增大。

2.2 流量對(duì)消能率影響

研究流量對(duì)臺(tái)階式溢洪道消能率的影響，同樣采用單一變量法，取坡角為θ=35°，臺(tái)階高度設(shè)置為1m，由于當(dāng)前該水庫(kù)單寬流量為35.7m3/ s·m時(shí)仍不能滿足最大洪峰的泄洪需求。因此，對(duì)溢洪道模型進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)，取臺(tái)階式溢洪道單寬流量為21.2m3/s·m、35.7m3/s·m、46.7m3/s· m、62.2m3/s·m，合計(jì)4種試驗(yàn)工況。在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)4種流量進(jìn)行測(cè)量，得出不同長(zhǎng)度處的總能，進(jìn)而根據(jù)式（2）計(jì)算消能率，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪出臺(tái)階式溢洪道消能率與長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2。

圖2　流量對(duì)純臺(tái)階消能率影響規(guī)律

由圖2可知，流量相同時(shí)，隨著流程長(zhǎng)度的增加，溢洪道消能率逐漸變大，除0～10m外，其余基本為線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.998。長(zhǎng)度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)4種工況的試驗(yàn)值有所差別，L =120m差別最大，達(dá)4.5%。單寬流量越大，關(guān)系曲線越接近直線，特別是q=46.7m3/s·m和q=62.2m3/s· m，兩個(gè)工況的關(guān)系曲線基本重合，說(shuō)明單寬流量到達(dá)一定值后，溢洪道消能率已達(dá)到上限，再增加單寬流量，消能率變化不大。

2.3 坡度對(duì)消能率影響

同樣采用單一變量法，臺(tái)階高度為1m，單寬流量為21.2m3/s·m，坡角取32°、38.7°、55°三種試驗(yàn)工況，研究不同豎直高差下坡腳與消能率的關(guān)系。豎直高差是指第一個(gè)臺(tái)階到當(dāng)前臺(tái)階的高度差。坡度與消能率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

圖3　坡度與消能率的關(guān)系曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，豎直高差相同時(shí)，坡度越大，消能率先增加后降低，且三種試驗(yàn)工況的測(cè)量值偏差較大，最大偏差可達(dá)12.2%。因此，坡度對(duì)臺(tái)階式溢洪道消能率的影響最大。當(dāng)坡角相同時(shí)，豎直高差與消能率的關(guān)系曲線不再是直線，而是無(wú)規(guī)律的曲線，因?yàn)槠露葘?duì)溢洪道的影響較為復(fù)雜。按照試驗(yàn)結(jié)果，本文設(shè)計(jì)的溢洪道坡度為38.7°時(shí)，消能效果最好。

2.4 流程長(zhǎng)度對(duì)消能率的影響

由上述分析可知，消能率受坡角的影響較大。相同高程差下，坡角不同，溢洪道的流程長(zhǎng)度也會(huì)有所差異，對(duì)流程長(zhǎng)度對(duì)消能率的影響作進(jìn)一步分析。圖4給出臺(tái)階高度為1m，流量為21.2m3/s·m時(shí)，流程長(zhǎng)度與消能率的關(guān)系曲線。

圖4　流程長(zhǎng)度對(duì)消能率的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著流程長(zhǎng)度的增加，臺(tái)階式溢洪道消能率逐漸增大，水流在經(jīng)歷了80級(jí)臺(tái)階后的消能率達(dá)80%，而一般光滑溢洪道的消能率僅為35%左右。臺(tái)階式溢洪道的消能效果明顯優(yōu)于光滑溢洪道，可對(duì)下游河段和消力池起到保護(hù)作用。

3　結(jié)語(yǔ)

臺(tái)階式溢洪道的消能效果比光滑溢洪道好，從工程角度看，研究臺(tái)階式溢洪道消能率具有重大意義。基于國(guó)內(nèi)外研究情況，采用室內(nèi)試驗(yàn)與理論分析耦合方法，分析了臺(tái)階式溢洪道臺(tái)階高度、流量、坡度對(duì)消能率的影響。研究表明：其它參數(shù)相同時(shí)，臺(tái)階式溢洪道長(zhǎng)度增加，消能率增加；單寬流量增加，消能率減?。慌_(tái)階高度增加，消能率增加。但由于臺(tái)階式溢洪道的水力特性十分復(fù)雜，模型試驗(yàn)僅能作定性分析，因此還需深入研究。希望本文研究結(jié)果可為臺(tái)階式溢洪道設(shè)計(jì)提供幫助。

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作者簡(jiǎn)介：秦廣莉（1966年—），女，工程師。

收稿日期：2015-08-29

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.018

中圖分類號(hào)：TV651

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）02-0049-03