孟云祥，孫 賀，杜振康，朱光明，閆秀秀

西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽 712100

與傳統(tǒng)光滑溢洪道相比，臺階溢洪道具有施工方便、工期短、消能率高等顯著優(yōu)點[1]。國內(nèi)外許多專家學(xué)者從不同角度出發(fā)對不同形式的臺階溢洪道及其水力特性進行了理論推導(dǎo)、模型試驗與數(shù)值模擬研究，取得了較為豐富的研究成果[2-4]。在實際工程中，臺階溢洪道前端摻氣坎形式對臺階水流流態(tài)影響較為明顯?；诖?，文章以貴州某水庫臺階溢洪道為工程背景，從優(yōu)化臺階與消力池內(nèi)水流流態(tài)出發(fā)，重點對臺階前端摻氣坎進行體型優(yōu)化調(diào)整，以期為實際工程提供合理體型。

1 工程概況

貴州某水庫大壩壩頂中部設(shè)泄洪表孔，為開敞式不設(shè)閘泄洪方式，壩高80m，其中堰頂高程為605m，共3孔，單孔寬11m，溢流凈寬33m。溢流堰型采用WES實用堰，曲線方程為y=0.149x1.85。采用臺階泄槽，臺階高度為2m，臺階坡比為1∶0.8，采用消力池消能方式，消力池寬度為35m，池長50m，尾坎高4.5m，體型參數(shù)如圖1所示。特征水位實測流量如表1所示。

圖1 臺階溢洪道體型參數(shù)詳圖（單位：m）

表1 水庫溢洪表孔特征水位實測流量表

2 模型布置

水工模型試驗按重力相似準則進行設(shè)計，按照試驗任務(wù)要求，模型為正態(tài)模型，采用比尺Lr=50。

模型試驗段制作范圍為上游庫區(qū)從壩頂軸線向上210m（模型4.2m），下游河道從消力池末端向下游300m（模型6.0m），再加上溢洪表孔長度約124.5m（模型2.49m），模型制作范圍總長約634.5m（模型12.7m）。

3 存在的問題及解決思路

基于水力學(xué)試驗流態(tài)觀測和數(shù)據(jù)量測后發(fā)現(xiàn)，該水庫工程溢洪表孔存在以下問題：（1）由于臺階起點沒有形成摻氣空腔和摻氣水舌，應(yīng)該在臺階起點增加摻氣坎，實現(xiàn)臺階上段水流的摻氣，同時改善臺階起點水流流態(tài)；（2）針對小流量水舌直接沖擊臺階水平面形成平拋流態(tài)，導(dǎo)致的流態(tài)不佳甚至超出兩側(cè)邊墻的情況，應(yīng)該對起始端臺階布置進行具體優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化方案一

為了避免小流量在第一個臺階水流貼壁下泄，水流在臺階水平面挑射出流，形成平拋水流流態(tài)，試驗在溢流堰末端設(shè)置一個摻氣坎，目的是在第一個臺階跌坎位置形成一個通氣空腔，避免水流貼壁下泄產(chǎn)生不利流態(tài)。按照這一思路，試驗參考以往工程實際摻氣坎體型，并結(jié)合該工程體型特點，初步確定的摻氣坎修改一體型如圖2所示。其中，摻氣坎鉛直高0.20m，起點在溢流面切點位置，坎斜長3.32m。

圖2 優(yōu)化方案一摻氣坎體型詳圖（單位：m）

優(yōu)化方案一摻氣空腔流態(tài)如圖3所示。從圖3不難發(fā)現(xiàn)，校核洪水位工況沒有形成摻氣空腔，30年一遇工況基本處于臨界摻氣狀態(tài)，也就是空腔時有時無，并且空腔沒有在臺階貫通；5年一遇形成比較穩(wěn)定的空腔。大流量沒有形成穩(wěn)定暢通的摻氣空腔，摻氣坎必須進行再次修改。

圖3 優(yōu)化方案一摻氣空腔流態(tài)圖

3.2 優(yōu)化方案二

考慮到修改一在大流量時沒有實現(xiàn)摻氣坎的摻氣作用，并且在溢流堰開始泄流時的小流量依然出現(xiàn)水流在第一個臺階產(chǎn)生水平挑射水流現(xiàn)象，分析其原因有可能是挑坎的坡比與原堰面坡比接近，水舌沒有挑起來，也就是挑坎的斜長太長，水舌水流基本和沒有挑坎水流方向接近，因此修改二將按照傳統(tǒng)的挑坎坡比1∶10進行設(shè)計，體型如圖4所示，其中挑坎高為0.20m（鉛直0.32m），斜長2.01m。

圖4 優(yōu)化方案二摻氣坎體型詳圖（單位：m）

優(yōu)化方案二摻氣空腔流態(tài)如圖5所示，在校核洪水位、消能防沖水位和5年一遇水位均形成穩(wěn)定的摻氣空腔，其中校核洪水位、消能防沖水位工況的摻氣水舌在第2個臺階位置與臺階相切。對小流量同樣進行了觀察，依然存在水舌直接沖到第二個臺階水平面形成水平挑射的水流現(xiàn)象。因此，試驗試圖通過將挑坎坡度再次變緩，讓水舌緊貼第一個臺階下泄，達到改善摻氣坎下游流態(tài)的目的。

圖5 優(yōu)化方案二摻氣空腔流態(tài)圖

3.3 優(yōu)化方案三

修改三是保持挑坎末端高度為0.20m（鉛直0.32m）不變，挑坎表面是向溢流面上游做切線，此時的挑坎斜長為3.65m，相當于挑坎坡比為1∶18.25，此坎比修改二放緩了接近一半，摻氣坎體型如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案三摻氣坎體型詳圖（單位：m）

試驗觀察了3個不同工況的水舌流態(tài)和小流量工況下的臺階流態(tài)，其流態(tài)如圖7所示。流態(tài)基本和修改二接近，都可以形成穩(wěn)定的通氣空腔，只是由于該體型坡比變緩，使得水舌落點略有下移，表現(xiàn)在校核洪水位由于水舌下壓，在第一個臺階的空腔回水水面略有抬高，但空腔依然穩(wěn)定。其他工況和修改二基本變化不大。從以上修改過程來看，要改善水舌對臺階平面的沖擊，單單依靠調(diào)整摻氣坎體型還不夠，應(yīng)該再對臺階高度進行必要的優(yōu)化。

圖7 小流量臺階流態(tài)圖

3.4 優(yōu)化方案四

由于臺階的不斷加密，使得摻氣空腔變小，為了確?？涨挥谐渥愕拿娣e通氣，保證通氣暢通，試驗對摻氣坎高度進行了加高。摻氣坎修改四挑坎高變?yōu)?.30m（鉛直0.48m），起點為切點，斜長4.02m，以達到抬高水舌跳起高度，增加空腔面積的目的，摻氣坎體型如圖8所示。同時考慮到挑坎變高，水舌挑距增加，因此，模型將原設(shè)計的第4和第5個臺階也進行加密，從而保證臺階面水舌流態(tài)的順暢銜接。

圖8 優(yōu)化方案四摻氣坎體型詳圖（單位：m）

通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)，在泄洪運行各個工況以及小流量時，水流流態(tài)都比較理想，其通氣空腔穩(wěn)定，通氣良好，可以作為推薦體型。

4 結(jié)論

文章通過水工模型試驗對貴州某水庫臺階溢洪道相關(guān)體型及水力學(xué)問題進行研究，得出以下結(jié)論：（1）合理確定摻氣坎尺寸可保證臺階起點形成穩(wěn)定暢通的摻氣空腔和摻氣水舌；（2）針對臺階溢洪道在小流量運行工況下水舌沖擊臺階水平面斜拋，從而超出兩側(cè)邊墻的情況，通過縮小摻氣坎末端、臺階起點處的臺階尺寸，可有效降低水流跌落高度。