水利工程論文-臺階式溢洪道的設計.doc

水利工程論文-臺階式溢洪道的設計摘要：本文參考國外研究成果，著眼于臺階式溢洪道的設計方面，探討臺階式溢洪道的不同運用和機理。關鍵詞：臺階溢洪道設計近年的科技發(fā)展使得建造高壩和大水庫有了可能。這些新科技成為發(fā)展新設計和施工技術的必要，特別是與保證充分的泄洪設施有關的方面。陡槽和溢洪道通過水力建筑物將大量水流瀉出去而不對建筑物本身和周圍環(huán)境造成大的損害。溢流式溢洪道經(jīng)壩頂泄洪，水流作為明槽水流或自由溢流下泄，并需要將水流中的大部分動能釋放掉；否則，溢流可能危及下游、周圍甚至大壩本身。工程中一般采用以下三種方式進行消能：高速水流從挑流鼻坎挑入水墊塘中；在溢洪道下游建造標準消力池，以形成水躍并消掉大部分的能量；在溢洪道上設置臺階，水流流過粗糙的或有臺階的泄槽，就能消去大部分的能量。在臺階式陡槽上，水流沿著溢洪道表面的臺階流動，明顯地提高消能率；于是，排除或極大降低了在溢洪道末端進行大量消能的必要性。臺階式溢洪道的運用在過去的幾十年里，臺階式溢洪道已經(jīng)成為一種很風行的安全泄洪方式。碾壓混凝土的發(fā)展又增強了臺階式溢洪道的興趣。上面已提到了的，在臺階式溢洪道中，水流沿著溢洪道表面的臺階流動，明顯地提高消能率；因而，減少了下游消力池的規(guī)模和費用。臺階也可用于暴雨渠道中的消能。在挪威，臺階也被用在明流的泄洪隧洞中，以提高消能。這種設計允許在豎井的上游卷出空氣，以避免豎井中有空氣。臺階布置也被用于水處理廠中。階梯式布置和跌水還被沿河和溪流所引用，以便給低溶氧的水充氧。臺階式的溢洪道能建造在各種地形上。插圖1-舌形水流形態(tài)臺階式泄槽由在底板上有多級跌水的開敞式渠道組成。臺階上的水流分成兩種形態(tài)：舌形水流（插圖1）和表層水流（插圖2）。在舌形水流形態(tài)中，總的水流跌落可以分成許多小的自由跌落；水流的過程就是從一個臺階到下一個臺階的不斷跌落。在大多數(shù)情況下，水流從每個臺階跌落沖擊下一個臺階上，并隨之產(chǎn)生一個水躍。水流經(jīng)在臺階上的射流摻混，在空氣中破裂，在臺階上形成的完全水躍或不完全水躍來消能。對于舌形水流形態(tài)，臺階的水平長度需要相對大些，這種情況并不經(jīng)?？梢詫崿F(xiàn)，但是卻適用于比較緩的溢洪道，河流和臺階式渠道。而在表層水流形態(tài)中，沿臺階表面向下的水流表現(xiàn)為粘滯流，表層水流流過臺階，并有臺階間的洄流作為水墊。臺階的外角連線形成了水流流過的虛擬底板。在這虛擬底板下面，產(chǎn)生了洄流旋渦，水流通過臺階外角剪切力的傳遞保持的這些旋渦。在溢洪道最初的臺階上，水流平滑并沒有空氣摻入；而在最初幾個未摻氣的臺階以后，水流表現(xiàn)為：當快速發(fā)展的邊界層到達水流表面時，空氣強烈地摻入了（插圖3）。由于動能轉化為旋渦的作用，加強了消能效果。大壩上，表層水流形態(tài)比舌形水流形態(tài)消能更充分。對于泄量小且底坡比較平緩的情況，水流表現(xiàn)為連續(xù)跌落的舌形水流。泄量增加或底坡變陡則可能導致出現(xiàn)表層水流形態(tài)。當自由跌落水舌下的空腔消失時，表層水流形態(tài)就開始出現(xiàn)了。這種現(xiàn)象與摻氣設施和通風孔的的空腔充填（或稱淹沒）類似。插圖2-表層水流形態(tài)表層水流形態(tài)的發(fā)生是受泄量、臺階高度和長度等因素的作用。經(jīng)過大量試驗的研究，得到以下表達式：式中：dc臨界水深；h臺階高度；臺階級寬。雅蘇達和歐蘇（1999年）提供了兩個方程式，用于確定舌形水流流態(tài)上限和表層水流形態(tài)的下限。公式如下：拉甲拉特南（1990）簡化了表層水流的判別式，采用以下簡化公式確定是表層水流還是舌形水流。如果0.8，是表層水流。斯迪芬森（1991年）提出了以下判別式來確定是否是舌形水流。是舌形水流，且，當時，水流處于過渡（舌形水流或表層水流）狀態(tài)。設計的不同方面臺階式溢洪道水力設計的主要方面可列舉如下：i)消能和臺階尺寸；ii)摻氣和消氣；iii)初始點的確定。i)消能臺階式溢洪道的消能率是臺階尺寸和泄槽縱坡的插圖3-臺階式溢洪道流態(tài)函數(shù)。坡度增大，消能率減?。欢_階尺寸越大，消能越多。舌形水流的消能隨臺階數(shù)的減少而增加，隨縱坡坡度的增加而減小。ii)摻氣和消氣臺階式溢洪道中，坡度越陡則摻氣相應增加。隨著臺階尺寸的加大，相應也增大了摻氣。但是，摻氣多卻使溢洪道的消能率降低，水體膨脹。為減小空蝕破壞的風險，摻氣水流中至少需要大約4%8%的含氣濃度。水中溶氣對環(huán)境的影響也相當嚴重。在深池中，高摻氣的水流在光照射下，造成靜水壓力迫使大氣中的氣體溶解；由于氣泡損傷，導致幼魚死亡。為避免上述情況發(fā)生，設計溢洪道時應限制水的飽和度到110%TDG左右。采用臺階式溢洪道，在消能上能有所幫助，可形成淺的消力池，降低摻氣水流中靜水壓力的作用。iii)確定初始點初始點是邊界流與水流上游面的交點。在初始點之前，可能會有空穴發(fā)生，而在初始點之后，由于摻入了一定量的氣體，空穴風險就降低了。如果泄量大些，則初始點下移，形成一大片未摻氣水流區(qū)，該范圍空穴風險實際上存在于較高的流速。參考文獻：1.Chanson,H.(1994),“HydraulicDesignofSteppedCascades,Channels,WeirsandSpillway”.2.VisherD.L.andHagerW.H.,(1995),“EnergyDissipater”,AA-Balkma/Rotterdam/Brookfield/Netherlands.3.MillerD.S(1995),“HydraulicStructureDesignManual”,AA-Balkma/Rotterdam/Brookfield/Netherlan