阶梯消能工的研究与应用

摘要： 根据阶梯消能工的水流流态及水力特性，通过水工模型试验并结合运用已有的研究成果，对我国阶梯消能工应用中有代表性的两个工程实例进行了分析和讨论，明确了其在工程中的实际意义。指出了阶梯消能工的工程适应性及发展方向，供工程设计和运行参考。

Abstract： According to the flow pattern and hydraulic characteristics of ladder dissipator， by hydraulic model tests and the use of existing research results， two representative engineering examples in application of ladder dissipator are analyzed and discussed， its practical significance in engineering is cleared， and its engineering adaptability and development direction are pointed out for the reference to engineering design and operation.

关键词： 阶梯消能工；水力特性；试验研究；工程应用

Key words： ladder dissipator；hydraulic characteristics；experimental investigation；engineering application

中图分类号：TV131.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）19-0085-03

1 阶梯消能技术简介

传统的泄洪方式，下泄水流的能量几乎全部输送到下游坝趾处，通过底流、面流、挑流等方式集中消散，并相应采取大量的消能防冲设旋（其投资可达泄水建筑物总造价的30%～40%）。阶梯消能不同于这些方式，其消能原理主要是利用设置的连续台阶造成水流底部“加糙”，使下泄水流在阶梯的凹角产生横向水平旋滚，并与台阶面主流发生强烈的掺混作用，增加水流的紊动，提高水流掺气，水流跌落撞击阶梯来达到增加消能的目的。阶梯消能工属于“分散式”消能工，在溢洪道或溢流坝的沿程都存在较大的空间能量耗散，这种“化整为零”的消能方式，能避免“集中式”消能工的弊端，从而大为改善坝趾处的水力条件，使消能建筑物更加安全，可以在一定范围内简化下游消力池的规模以至取消坝下的消能设旋，使消能工布置的更加紧凑，从而降低了工程投资。

到目前为止还没有形成判别流态的统一公式，总结前人研究成果，通过分析研究，流态的形成与阶梯的形状、尺寸及台阶上的水深有关，根据相对临界水深yc/h（yc为阶梯进口处临界水深，h为台阶高度）和泄槽倾角θ并绘制如图1的分类曲线，即滑行水流、过渡水流、和跌落水流。

当达到一定泄量时台阶上开始出现水流掺气、水深增大的现象，形成了表面有掺气水流，底部有稳定含气旋滚的阶梯溢流的典型流态——滑行水流。顺水流方向分为三个区域：①无掺气区（清水区），紊流边界层在此区域中发展，但尚未发展到水面；②掺气非均匀区，当紊流边界层逐渐发展到水面时，空气逐渐掺入水面，水流表面开始掺气，但掺气未达到底部，断面掺气不均匀；③掺气均匀流区，此区域空气的掺入量与逸出量达到平衡状态，水流完全掺气，水流流速及水深沿程变化不大，阶梯上的水流形成近似均匀流。阶梯上滑行水流流态沿程变化过程如图2所示。

2 模型试验成果

试验在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室进行。试验模型主要由上游水库、有压进口、无压斜坡调整段、20～25级阶梯、无压出口段、回水池组成。模型采用有机玻璃制作，其糙率在0.0079-0.0082之间。有压进口前端做成曲线型喇叭口以便使水流平顺过渡。模型总高度约3.0～4.5m，泄槽宽度15cm，阶梯设置20cm的光滑底板段，光滑段起始水深为4cm，流速为2.20～5.85m/s。模型试验布置示意图见图3。

经过对不同体型、不同高度、多种坡比、多种流量的试验后发现，阶梯泄流的主要水力特性为：①设置阶梯后不影响泄流能力，反而可以减小消力池的尺寸，节省工程投资；②滑移水流流区的水深在初始掺气点之前沿程降低，之后沿程上升到达某一高度后再略微降低随后保持稳定；③滑行水流速度沿坡面法线方向由小变大，阶梯的隅角内有顺时针涡旋产生，旋涡中心的速度为零，向四周旋转速度逐渐增大，但是旋涡的速度比滑行水流流速小；④阶梯上的压强具有间隔相似性，其分布主要是阶梯内旋滚和上层的水深决定，即决定于单宽流量、阶梯坡度和尺寸。负压主要集中在阶梯竖直面凸角附近，主要是由冲击造成的，负压会随着坡度增大而增大；水平面上压强为正值，随着流量的增大逐渐减小，但变化幅度较小。⑤阶梯上掺气及稳定漩滚发生的位置，在阶梯尺寸一定时，随下泄单宽流量q的增加沿流向逐渐下移，当q增大到某一限度后，台阶上的漩滚及坝面掺气趋于消失，出现紧贴阶梯坝面的自由水舌流，水舌沿阶梯外缘处形成的“水力光滑面”下泄；⑥阶梯消能率与水流流态、单宽流量q、台阶数量N、台阶高度h和长度L、坡度i、临界水深等有关，随q增大而减少，随坡度变缓而增大，随台阶高度的增高而增加，阶梯个数对消能率的影响相对较小；⑦阶梯上破碎水舌后大量掺气，含气水流被不断卷人台阶上的漩涡区，改变了水流性质，利于防止空化和减小空蚀破坏的危险。

3 阶梯消能的工程应用

阶梯消能工在水利工程中应用历史悠久，其雏形是5000多年以前古埃及的The Barrier of Pagans坝所使用的泄水建筑物。1986年继第一座碾压混凝土（RCC）阶梯式溢洪道——美国的上静水坝之后，世界上已先后建成30余座，其不仅广泛应用于重力坝，在较低的过水土坝上也应用较多。我国是从90年代开始研究并陆续建成了一批阶梯式溢洪道（坝），具有代表性的工程如水东水电站（1994）、索风营水电站（2003）、毛儿盖水电站（2011）、阿海水电站（2012）、黄金坪水电站（在建）等。其中，福建的水东阶梯式溢洪道在1994年5月一场百年一遇的大洪水、单宽流量达到90m3/（s.m），泄洪时消能效果良好，消力池下游河道里水流流态平稳，洪水后观察仅坝面下部台阶面的勾缝被掏刷，并有部分台阶边角缺损，其余部位运行状况良好。

毛尔盖水电站位于黑水河中游红岩乡至俄石坝河段，首部拦河大坝采用砾石土直心墙堆石坝，坝高147.0m，装机容量为420MW，岸边开敞式溢洪道布置在大坝左坝肩，消能方式为前置掺气坎+阶梯+戽式消力池，堰顶高程为2124.0m，戽底高程2004.84m，阶梯尺寸（高×长）为2.0m×7.4m，在第一级阶梯前面40m的缓坡（坡度为11%）处设置了一个掺气挑坎，掺气坎高度2.0m，挑角1：10，以便将出闸水流适当挑离阶梯面，以有利于形成底部空腔，增加阶梯面水流掺气。溢洪道布置如图4所示。

该阶梯溢洪道设计单宽过流57m3/（s.m）、校核单宽流量76m3/（s.m），阶梯部分采用C20砼现浇，溢洪道末端流速由原来的38m/s减小到26m/s，挑距由原来的100m减小到60m，其消能率约为68%-74%，并且在阶梯段前设置了通气孔和掺气坎降低了直接作用在阶梯面的水流冲击力，很好地解决了阶梯溢洪道上前几级阶梯无掺气，易发生空蚀破坏等情况。采用前置掺气坎+阶梯的消能方式可节约投资70余万元，该工程已于2011年10月投产发电。

4 结论与建议

经过对阶梯消能技术的试验与工程实践，有以下结论和建议：①阶梯溢流与传统的光滑溢流相比，坝趾处的消能率相当可观，还可改善坝下冲刷、简化消能防冲设施，节约工程投资，伴随着RCC碾压砼新工艺和砌石工程的发展，是一种经济适用，值得推广的新型消能工。②阶梯消能的效果，与水流流态、单宽流量q、坝高H、台阶高度h和长度L、台阶级数N、坡度i有关，在H与h一定时，随q增大而减小；在q一定时，随h，N，L增加而加大，随坡度变缓而增大。阶梯消能的关键在于合理选用阶梯形式和尺寸，力求在较长的泄流流程上使泄流形成滑行水流流态。③阶梯消能工在宣泄较小的单宽流量时，阶梯上破碎水舌后大量掺气，含气水流被不断卷人台阶上的漩涡区，改变了水流性质，利于防止空化和减小空蚀破坏的危险，具有较好的消能效果；在宣泄较大的单宽流量时，其消能效果不是很理想，还存在引起阶梯面发生空化空蚀破坏的风险，目前认为单宽流量宜限制在50m3/（s·m）以下。④对高水头、大单宽流量工程，宜采取适当的工程措施如宽尾墩+阶梯+消力池、前置掺气坎+阶梯消能工的联合消能方式，增加水流的掺气，减小直接作用于阶梯面的水流，阶梯消能工也可以在高坝、大单宽流量的条件下采用。⑤阶梯水道在其他领域的运用有待扩大，如将阶梯应用于人工观赏水道、水处理厂中进行水气交换有机质挥发的水道。⑥做好原型观测，收集第一手资料，分析整理实际运用的成果，以指导工程实践，推动阶梯消能工得到更广泛得运用，发挥更大的社会和经济效益。

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