臺階式溢洪道是怎么回事？你了解嗎？

     溢流式溢洪道經壩頂泄洪，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，臺階式溢洪道已經成為一種很風行的安全泄洪方式。碾壓混凝土的發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。
   
    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：舌形水流（插圖1）

    而在表層水流形態中，沿臺階表面向下的水流表現為粘滯流，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，水流表現為：當快速發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，表層水流形態比舌形水流形態消能更充分。

    對于泄量小且底坡比較平緩的情況，水流表現為連續跌落的舌形水流。泄量增加或底坡變陡則可能導致出現表層水流形態。當自由跌落水舌下的空腔消失時，表層水流形態就開始出現了。這種現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
    

臺階式溢洪道的消能率是臺階尺寸和泄槽縱坡的插圖3

    函數。坡度增大，消能率減小；而臺階尺寸越大，消能越多。
    舌形水流的消能隨臺階數的減少而增加，隨縱坡坡度的增加而減小。

    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。

    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，該范圍空穴風險實際上存在于較高的流速。

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