1、水力發電學報2001年第2期JOIRNALOFH、DROEIFCTRIC兌第73期臺階溢流壩下的流速探討吳憲生（國家電力公司成都勘倒設計研究院科學研究所成都610071）提要木文分析了臺階法流壩壩面水流流態，從明渠水力學的角度出發.推求出臺階溢流坂頊下流速的表達式,并通過水力模堂談驗研究，求得了臺階溢流壩壩F流速的計峰式該式的計算結果與其他學者的模型試勵成果尚能筋合，表明該式具有一定的造應性c何時，該式亦可用于甘臺階溢流壩壩面最大流速進行估計.以便判別壩面出現空蝕破蝦的可能性。美城詞臺階溢流壩流速滑掠水流單寬旅最一、概述臺階溢流壩早在1906年建成的美國新克勞頓大壩上采用，目前國內外建成或在建

2、的臺階溢流壩已達數十座。的苕甘前碾壓混凝土筑壩技術在大、中型工程中的運用和發展.臺階溢流壩的運用已越來越多地受到廣大工程技術人員的關注。臺階溢流壩的水流特性不僅有別于挑流、底流和面流三種基本消能方式.而且也不同于一般渠道上的多級跌水消能，它是由于壩體本身下游壩面臺階的存在，使下泄水流在臺階之間形成水平軸旋滾,并與壩面主流發生強烈的摻混作用.導致水流親動加劇、摻氣圮強消散了部分水流能枇.，從而減小下泄水流的流速.改善壩址處的水流條件.使壩下游的消能設施得以簡化.如美國墾務局在1982年對上靜水壩的臺階溢流壩進行了水力模型試騎研究“研究表明，將溢流壩下游壩面改為臺階式后，其壩F游的消力池長度可縮短

3、50%。但是，隨著臺階溢流壩的高度增加,尤其是下泄單寬流信過大時，使壩面流速加大，又易使臺階壩面產生空蝕破壞c如我國丹江口水電站,其14,17'壩段原為臺階滋流坳面在1974年10月宣很大洪水時,其過壩單寬流址達l20m5/s.m,在臺階溢流壩段的臺階面上出現了大面積的空蝕坑.最深達1.2m;水工模型試驗也表明，此時水流經過臺階，在臺階棱角處發生分離.產生負壓.負壓值可達5.2x9.81kPa,其流速高達2126.4m/L相應空化數為0.180.87,因此，臺階溢流壩消能方式的逐用在一定程度上受到了限制。一般來說，臺階溢流壩可顯著提高壩面的消能效果，尤其適用于壩體下泄單寬流量較小的工程

4、.這一觀點已為大多故學者所認同。但是，認為臺階溢流壩只能在壩高不大的情況下使用的看法卻并不適宜，而且，從現在的研究成果可以發現，目前還仗聚于對臺階滴流壩面流態.壩面壓力和消能率的研究，對其壩F游的流速變化規律鮮有探討.使得該種壩型在工程設計中難以廣泛采用,尤其推以回答在使用過程中為何受到較大限制，因此,奉文于2000年7月24日收到.74水力發電學報還有必要對臺階溢流壩的水流特性作進-步的研究。二、理論分析圖1項面流態示意圖臺階溢流壩由于其壩面臺階的存在，能夠較多地消減水流能置，減小壩下下泄水流的流速。從水力模型試驗可以發現.當水流通過臺階溢流壩壩面下泄時,其壩面的水流流態有別于光滑壩面的水流

5、流態，在一定的流扯范闈內，過壩水流先呈非摻氣狀態沿臺階溢流壩壩面下泄、沿程經臺階頂部破碎后，主流順臺階頂部向下滑移、而在主流與臺階之間的空腔內形成強烈的橫向漩滾，加劇了水流的紊動，使紊流邊界層能夠很快發到水面，在壩面下段的各臺階上.水流開始自摻.水深隨之增大，流速減小，形成了表面有摻氣水流，底部有穩定含氣漩滾的典型臺階溢流壩流態(見圖1),即所謂的滑掠水流”(SkimmingFlow)。此時，壩面水流摻包總定,水深及流速基本保持沿程不變，符合恒定均勻流的水流特性，水流經溢流壩面自由下泄.當下游壩面直線段較長時，可以將壩面看作坡度很陡的明渠,在未考慮水流摻氣等情況下，由謝才公式可得下游壩面流速為

6、：破赤嚴(1)式中：V為下游壩面流速，以m/s計；C為謝才系數，由炳寧公式可知C=(l/n)R"n為壩面糙率；，為水流能坡，在明渠均勻流情況下與明渠底坡i相等；A為水力半徑，以m計，僅考慮單寬流量時可取R=h(水探)。則公式(1)可表示為：V=(2)在公式(2)中,根據河流動力學中關于河床床面沙粒阻力的概念，其下游壩面的糙率n可表示為:n=(3)式中：為壩面推率的突出高度以m計，4,為系數。對臺階溢流壩面而言，其壩面糙度的突出高度A可由壩面臺階高度T和溢流頊下游壩面的坡度(底坡)i來表示。設溢流壩下源壩面與水平面之間夾角為則有：=Tcosa=7(1-sin、)'"=

7、F(1-(4)此外，由于通過溢流壩下泄水流的水深一般較溢流壩的寬度小很多，計算中可取A=入同時考慮下泄水流的單寬流量q=hV,則將式(3)和(4)代入式(2)后，化簡可得：V=-)08(5)上式是在未考慮壩面水流摻氣等因素條件下求得的。由于臺階溢流壩壩面臺階的存在，其過壩水流流態與光滑壩面的水流流態不同.尤其在產生滑掠水流的壩段，使壩面水流搟氣、素動加劇、流速減小，必將引起公式中的系數和指數發生變化，但至少可以認為具吳憲生：臺階法流壩下的流速探討75有公式（5）的表現形式。一般來說通過溢流壩下泄的水流，其壩面流速隨下泄流程的增加而加大，在地趾附近流速達到其技大值，此值與壩下收縮斷面處的流速值應

8、相差不大，變化規律相同。因此，在試驗研究中我們以壩下游收縮斷面處的流速來確定公式（5）中的各項系數，求很臺階溢流壩壩下的水流流速。此外，對于式（5）中的參數底坡3在本次研究過程中未作試驗研究，其參考資料也不多,而對水流能坡，因測量精度難于保證，在壩面水流摻氣形成滑掠水流后，試驗中也看不出其J與i有何區別，因此本文對底城i及水流能坡均未作更多的探討，統一納入系數4考慮。則臺階溢流壩壩下的流速可表示為如下形式：V=（6）公式中的系數A、指數B.E可由試驗確定，其*廠。（1-）。氣三、臺階溢流壩下流速及驗證3.1水力模型試驗試驗是在國家電力公司成都勘測設計研究院科學研究所的寬0.92m、高1.2m的

9、玻璃水槽內進行的，模型上游段的水槽加高至1.9m.以滿足壩上游水位的需要：設計模型壩高Pm分別為4«.75cm、78cm和130cm,溢流地剖面為標準的WES剖面，曲線方程為丫=*5/2片為溢流堰頂設計全水頭），曲線末端與1：0、8的下游直線段相切，其直線段部分完全山相同的連續直角臺階組成，臺階頂與直線重合；溢流壩頂上游由橢圓曲線與上游垂直壩面相接,其削面如圖2所示。臺階高度rM（cm）48.75L252.55.078.0|2.04.08.0130.03.336.6713.33衰1試峻臺吩高度設計值模型按重力相似準則設計，溢流壩面采用精細水泥砂漿抹面磨光做成，對每一壩高均進行了三種臺階高度Tm的試騷研究，其高度變化從1.25cm13.33cm不等（見表1）,試驗流量