三亚市水利水电勘测设计院 海南省三亚市 572000
摘要：由于落差的客观存在，为降低下泄水流对下游河道的冲刷，水库溢洪道在落差处经常需要设置消能防冲设施，台阶式消能方式是较好的选择。了解台阶式消能方式原理和效果，对在水利工程设计中恰当地加以运用，具有十分重大意义。
关键词：溢洪道；原理；应用实例
一、台阶式消能原理
在分折台阶式消能方式之前，我们有必要先来了解三种常见的消能方式；底流消能、面流消能、挑流消能。
底流消能是指借助于一定的工程措施(如修建消力池)控制水跃位置，通过水跃发生的表面旋滚和强烈紊动来消除余能；挑流消能是指在泄水建筑物末端设置挑流鼻坎，使水流向下游挑射，通过射流在空中的扩散、紊动和掺气作用，消除部分能量，然后跌落到离鼻坎较远的河槽中，在冲刷坑和一定的尾水深度所形成的水垫中消能； 面流消能是在泄水建筑物的出流处设置跌坎或小挑坎、将下泄急流的主流挑至下游水面的上层，通过主流在表面扩散及底部旋滚来消除水能的消能方式（要求下游水深较大）。
台阶式消能的水流特性不同上述三种常规的消能方式，也不同于一般渠道上的跌水消能方式，原理是:由于台阶的存在，使下泄水流在各个台阶之间产生强烈的横向旋滚，主流与旋滚水流之间相互磨擦、剪切，随着破碎水流紊动不断加剧， 空气掺入逐渐增加， 掺气滚动和台阶粗糙面的摩阻等，大幅消散了水流能量，减小下泄水流的流速，使台阶末端的联合消能防冲设施得到简化。
在不同的下泄流量下，台阶式溢洪道的水流流态一般分为三种。
1、跌落水流
当溢洪道下泄流量较小时，水流将顺着台阶逐级向下滑跌，在主流与台阶之间形成一个近似三角形的空腔，流股出现较大的弯曲，在台阶面上形成一定厚度的水垫，水流下泄跌落到水垫上，称为跌落水流。跌落水流分为完全水跃的跌落水流及不完全水跃的跌落水流两种形态，发生完全水跃的跌落水流在水舌落点达到最小水深，并在落点与台阶基部之间形成比落点水深略高的水垫 ，从而呈现急 、缓流交替的水流流态；发生不完全水跃的跌落水流时 ，水流在起始台阶上形成挑射流，射流直接撞击下级台阶，并伴有剧烈的紊动和水滴飞溅 ，然后在下一级台阶形成跌落水流。
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2、滑行水流
伴随着下泄流量的继续增加，挑流现象逐渐消失，台阶被水充满，形成回旋水流，水流在台阶内旋滚，会出现水流掺气、水深增大、流速逐渐减小的现象，形成表面有掺气水流和底部有稳定含气旋滚水流的流态，产生非常明显的消能效果，这种流态正是台阶式消能方式的主要表现。当陡槽内下泄流量增加至很大时，水流掺气现象消失，台阶面处的水流流态与斜坡式光滑面流态基本没差别，台阶的存在只相当于增加了陡槽面的粗糙度，加大阻力，有利于水流消能，但容易使台阶位置遭受空蚀破坏，这在工程应用中受到 一定的限制。
3、过渡水流
处于上述两者之间的流态，一些类似滑行水流，台阶面被旋滚水流充满；另一些类似跌落水流，在台阶面上形成近似三角形的空腔，过渡水流在下泄过程中水流流态不稳定，会引起压力场的重新分布，发生较大的水力波动及强烈的冲击波，对台阶产生不利影响，在设计中应尽量避免产生过度水流。
二、台阶式消能的优缺点
台阶式消能在中小型水库泄水溢洪道内能明显地提高消能效果，尤其适合于下泄单宽流量较小的工程。结构相同高度相同和下泄单宽流量一定的情况下，相比于斜坡式底流消能方式，台阶式消能方式约能降低末端流速50%，水流能量减少约 70%，同时可缩短末端消力池长度和降低池深，研究数据表明，经过台阶式消能后，能减少后续消力池30%～50%的长度。单宽流量是台阶式溢洪道设计的控制因素，当下泄水流单宽流量大到一定的临界值时，台阶竖立面上会出现负压，在泄水陡槽内台阶上可能产生水流空化现象，同时流量过大也会加大流速，巨大的冲击力会增大发生空蚀破坏的概率。水流流速在台阶末端达到最大值，因此空蚀破坏总是从下游台阶末端开始向上游逐渐发展，这也是台阶式消能方式不适用于大流量溢洪道的主要原因。
三、应用实例
去年，本人主持的三亚市海棠区石姆龙水库溢洪道尾水排洪沟工程设计就运用台阶式消能方式，在该溢洪道尾水沟上存在二个落差，第一级落差0.75米，单独采用台阶式消能，第二级落差1.5米，采用台阶式加跌水池联合消能，达至良好的消能效果。根据经验公式，溢流情况下，台阶式泄水陡槽末端流速 V与下泄单宽流量的关系式如下:
1)V=3.92T -0.12 q^E
2)E=0.44(T/P)0.024
式中：V-阶梯式泄水台阶末端流速，m/s;
E-泄水台阶末端水流能量；
T-一级台阶高度；
P-落差高度；
q-单宽流量；
在本工程中，以落差1.5米的跌槽为例，P= 1.5m，台阶高度T为0.25m，设计下泄洪量为20.1m3/s， 台阶泻槽宽度10米，则单宽流量q=2.01 m3/（s.m），经计算得知:末端水流能量0.42，末端流速为6.21m/s。
如果直接采用光滑斜陡坡，根据曼宁公式Ｖ＝（１/n）×R^(2/3) ×i^(1/2)和V=Q/A，联立方程解算得过流面积A=1.65m2，计算得陡坡末端流速V=12.18m/s，差不多是台阶式消能末端流速的2倍。
式中：V-斜陡坡末端流速，m/s;
Q-设计下泄流量， 本例中Q=20.1 m3；
A-过流面积A，本例中，经联立方程计算得A=1.65 m2；;
n-混凝土糙率，取n=0.017;
R-水力半径；本例中R=A/(10+2A/10)=0.16m;
i-陡坡坡度，本例中i=0.5；
根据溢洪道出口的防冲要求，在台阶或陡坡末端后再连接消力池消能，使出口水流流速低于不冲流速。由上面计算得知，台阶末端流速大约相当于陡坡末端流速的一半，因此要达到相同消能效果时，连接台阶的消力池长度和池深均比连接陡坡的消力池长度和池深小了许多，池深不变时，消力池长度可减小一半。
同样，如直接采用跌水消能，由于跌差过大，消力池的长度和池深均要求较大，工程规模比台阶联合跌水池消能的大。
四、结语
和其他的消能防护方式相比，台阶式消能方式能显著地降低末端水流速度，有效的减少消力池长度，节省工程量，减少工程总投资，便于人员上下交通和管理，施工过程简便，在低水头小流量水利工程中具有较好的应用价值。
论文作者:孙修程
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/22
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