程文磊，楊 慶，昌子多

(1.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都610065;2.四川大學水利水電學院，四川成都610065)

0 前 言

目前，國內不少已建或在建水利工程的單寬泄量小于30 m3/(s·m)，壩高幾十米左右，消能工多采取消力池。某些情況下單獨依靠消力池消能需要下游消力池具有足夠大的規(guī)模，因而增加了工程投資。隨著階梯消能工的發(fā)展，通過在壩面設置階梯，利用階梯的沿程消能，可減小消力池入池流速，從而減小下游的消能設施尺寸。階梯消能工是利用水流在通過階梯時，在階梯凹角內形成一系列水平旋渦，水體的劇烈紊動使得旋渦水流和主流之間不斷進行著動量交換[1]，由于水體具有粘性，不斷地紊動剪切作用造成能量的損耗，從而達到消能的目的。

國內外學者對于階梯消能工進行了大量系統(tǒng)性的試驗。田嘉寧等[2]通過試驗建立了階梯水流流態(tài)的劃分界限；陳群等[3]通過試驗得出了單寬泄量、階梯尺寸、壩坡、反弧段等對階梯消能率的影響規(guī)律；伍平[4]通過試驗發(fā)現在坡比范圍1∶2～1∶3內，階梯消能可達到60%；彭勇，張建民[5]等研究了前置摻氣坎階梯溢洪道的水力特性及摻氣特性。

本文結合左柏水庫工程資料，通過水工模型試驗研究了前置摻氣坎+調整段+階梯段+反弧段+消力池這一體形下水流的各水力特性，得出當下泄單寬流量較小時，采用該體形可以顯著減小下游消力池規(guī)模。試驗獲得的階梯段均勻流水深、流速與相應單寬流量計算經驗公式可為實際工程下游消力池體形設計提供參考。

1 工程概況

左柏水庫總庫容1 037萬m3，屬三等中型工程。水庫正常蓄水位534.0 m，相應庫容1 015萬m3，設計洪水位(P=2%)534.0 m，校核洪水位534.67 m。堰頂高程529.0 m，設兩溢流表孔，每孔凈寬4.0 m。下游消力池設計底板高程469.8 m，最大水頭差64.2 m，最大單寬泄量22.74 m3/(s·m)。試驗模型為正態(tài)模型，按重力相似準則設計，模型比尺為1∶40，表1為試驗工況。

表1 試驗工況

2 試驗成果

2.1 試驗體形

試驗初設體形為光滑溢洪道+反弧段+跌坎+消力池。該體形下下游消力池池長55.6 m，跌坎高度1.5 m，尾坎高度7.0 m。其在消能防沖工況下雖能夠取得較好的消能效果，但消力池規(guī)模較大。體形改良后得到了前置摻氣坎階梯溢流壩方案。

前置摻氣坎：階梯溢流壩體形下下游階梯段流速按壩高近似計算接近30 m/s，高流速情況下階梯上水流紊動劇烈，臺階立面易出現負壓，因此需設置前置摻氣坎進行摻氣保護，消除下游出現的空化空蝕問題。參照類似工程摻氣坎應設置在流速20 m/s左右(斷面作用水頭約25 m)的位置，針對此工程在樁號壩縱0+019.99(距堰頂24 m)處增設摻氣坎。鑒于水流單寬流量較小，Fr較高，擬定摻氣坎挑坎高度0.3 m，坡度1∶10，通風井尺寸為1.0 m×1.0 m。

調整段：調整段的長度由摻氣坎后空腔段+水流調整段。空腔段長度計算參考文獻[6]。水流調整段長度近似取6～12倍坎頂水深，此處水深較小，水流調整段長度取3.0 m。整個調整段長度取16.0 m。

階梯段：從調整段末端至反弧段起始點為階梯段，階梯外包線與原光滑溢流壩底板相契合。從形成穩(wěn)定滑移流及工程運行考慮，臺階高度一般取0.6～1.2 m，本工程擬定階梯高1.0 m，寬0.85 m，共設19級臺階。階梯段長度主要由壩高決定，壩高越高，階梯段長度越長，階梯段的相對消能率越高。

反弧段：反弧半徑應取6～12倍的反弧段起點水深，此處擬定反弧半徑為15.0 m。

消力池：在試驗過程中對新體形下的消力池尺寸進行調整，使其在獲得較好的消能效果下盡量縮減消力池規(guī)模，最終得到的消力池尺寸為長度由55.60 m降至49.5 m，消力池底板上抬1.5 m至469.8 m高程，消力坎高度5.6 m(原尾坎高度7.0 m)。

2.2 各工況水力特性

2.2.1 水流流態(tài)

在各試驗工況下，摻氣空腔穩(wěn)定，摻氣槽內無積水，空腔長度約為11.0～12.0 m。水流經2.0～3.0 m的光滑溢流壩過渡后流入階梯段。因摻氣坎強迫摻氣作用，在開始幾級臺階上水流摻氣充分。摻氣發(fā)展區(qū)的水流水深沿程增加，經一定流程長度后水體變?yōu)樗畾饣旌系娜榘咨旌象w，階梯凹角產生旋滾，水深穩(wěn)定，水流摻氣充分形成均勻流。設計工況下階梯段水流流態(tài)見圖1；消力池水流流態(tài)見圖2。

圖1 設計工況階梯段水流流態(tài)

圖2 設計工況消力池水流流態(tài)

2.2.2 沿程水面線

在各個工況下，泄槽段由于增設摻氣挑坎以及下游段設置階梯，水深相比光滑溢流壩方案有所增加。階梯段摻氣發(fā)展區(qū)水深沿程增加；摻氣均勻區(qū)水深穩(wěn)定。

試驗量測了不同單寬流量下階梯段摻氣發(fā)展區(qū)流程長度和摻氣均勻區(qū)的均勻流水深、流速，具體情況見表2。為統(tǒng)一量綱，用臨界水深hk描述單寬流量的變化。

式中，q為單寬流量，m3/s；g為重力加速度，取9.81，m/s2；動能修正系數α取1。

為了探討不同單寬流量下階梯段摻氣發(fā)展區(qū)流程長度的變化規(guī)律，用L/hk這一無因次量進行刻畫，具體如圖3所示。圖4為不同單寬流量下階梯溢流壩體形與光滑溢流壩體形水流達到均勻流時的水深對比情況。

表2 不同單寬流量階梯段各水力參數

注：K為摻氣發(fā)展區(qū)占階梯級數；L為摻氣發(fā)展區(qū)流程長度；ht、Vt分別為摻氣均勻區(qū)均勻流水深和平均流速。

圖3 不同單寬流量下L/hk的變化規(guī)律

圖4 不同單寬流量兩種體形均勻流水深變化規(guī)律

由圖3可以看出，不同單寬流量下L/hk約為5，即某單寬流量下，摻氣發(fā)展區(qū)長度約為臨界水深的5倍，這為階梯段的長度設計提供了參考。

由圖4可以得出，隨著單寬流量增大，階梯溢流壩階梯段均勻流水深近似線性增大；相同單寬流量下，階梯溢流壩相比光滑溢流壩均勻流水深有所增加，且單寬流量越大，水深增加越多。

針對本次試驗，在單寬流量小于25 m3/(s·m)時，得出近似計算階梯段均勻流水深的經驗公式

2.2.3 沿程流速

在各工況下，測量了摻氣坎挑坎末端、階梯段、反弧段以及消力池的流速分布。相比于光滑溢流壩，階梯段消殺了大量的水流能量，從而減小入池流速，在設計工況入池流速為17.58 m/s，光滑溢流壩方案為29.73 m/s。設計工況下消力池底板流場圖見圖5。

圖5 下游流場(單位：流速m/s，尺寸cm)

圖關系曲線

通過以上得到的階梯段均勻流水深、流速與相應單寬流量的計算經驗公式，參考“溢洪道設計規(guī)范”中有關消力池設計部分，即可近似獲得下游消力池的設計尺寸。

表3 各工況消能率

2.3 試驗成果

2.3.1 消能率

消能率的計算采用底下消能率計算公式

從表3可知，隨著單寬流量增大，階梯消能率降低，且單寬流量低于25 m3/(s·m)時，階梯消能率近似線性變化。設計工況下(q=18.60 m3/(s·m))，階梯消能率為46.95%，整體消能率為83.33%。

圖7 單寬泄量與階梯段消能率關系曲線

2.3.2 消力池規(guī)模

2、自身方面。小學是一個比較特殊的成長階段，一般小學生的心理素質都不夠強，自控能力也比強，如果遇到難度較大一點的問題，則可能出現畏懼、逃避、不自信和美元耐心等情況，從而產生自我懷疑的心理。

光滑溢流壩體形下，下游消力池尺寸為池長55.6 m，池深7.0 m，泄槽寬度10.5 m，計算得到消力池體積V1=4 086.6 m3；階梯溢流壩體形下消力池尺寸為池長49.5 m，池深5.6 m，計算得到體積V2=2 910.6 m3。消力池體積減小28.7%。

3 結 論

結合左柏水庫工程相關資料，通過對階梯溢流壩體形下的各水力特性進行試驗研究，得出如下結論：

(1)在小流量情況下，階梯溢流壩體形階梯段摻氣發(fā)展區(qū)流程長度約為相應臨界水深的5倍。

(2)單寬流量小于25 m3/(s·m)時，獲得了階梯段均勻流水深、流速與相應單寬流量的計算經驗公式，可為下游消力池尺寸設計提供參考。

(3)在小流量情況下，階梯消能工能夠獲得較高的消能率。試驗測得19級階梯(1 m×0.85 m，高×寬)在單寬流量接近20 m3/(s·m)時，消能率接近50%。且單寬流量小于25 m3/(s·m)時，階梯消能率近似線性變化。

(4)階梯溢流壩體形下，下游消力池規(guī)模相比光滑溢流壩減小28.7%。單寬泄量低于30 m3/(s·m)且壩高大于60 m的水利工程，采用試驗研究體形可顯著減小下游消力池規(guī)模。

參考文獻：

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