台阶式溢洪道的设计
摘要：本文国外研究成果，着眼于台阶式溢洪道的设计方面，探讨台阶式溢洪道的不同运用和机理。
关键词：台阶 溢洪道 设计
近年的科技使得建造高坝和大水库有了可能。这些新科技成为发展新设计和施工技术的必要，特别是与保证充分的泄洪设施有关的方面。陡槽和溢洪道通过水力建筑物将大量水流泻出去而不对建筑物本身和周围环境造成大的损害。
溢流式溢洪道经坝顶泄洪，水流作为明槽水流或自由溢流下泄，并需要将水流中的大部分动能释放掉；否则，溢流可能危及下游、周围甚至大坝本身。工程中一般采用以下三种方式进行消能：高速水流从挑流鼻坎挑入水垫塘中；在溢洪道下游建造标准消力池，以形成水跃并消掉大部分的能量；在溢洪道上设置台阶，水流流过粗糙的或有台阶的泄槽，就能消去大部分的能量。在台阶式陡槽上，水流沿着溢洪道表面的台阶流动，明显地提高消能率；于是，排除或极大降低了在溢洪道末端进行大量消能的必要性。
台阶式溢洪道的运用
在过去的几十年里，台阶式溢洪道已经成为一种很风行的安全泄洪方式。碾压混凝土的发展又增强了台阶式溢洪道的兴趣。上面已提到了的，在台阶式溢洪道中，水流沿着溢洪道表面的台阶流动，明显地提高消能率；因而，减少了下游消力池的规模和费用。
台阶也可用于暴雨渠道中的消能。在挪威，台阶也被用在明流的泄洪隧洞中，以提高消能。这种设计允许在竖井的上游卷出空气，以避免竖井中有空气。台阶布置也被用于水处理厂中。阶梯式布置和跌水还被沿河和溪流所引用，以便给低溶氧的水充氧。台阶式的溢洪道能建造在各种地形上。
插图1-舌形水流形态
台阶式泄槽由在底板上有多级跌水的开敞式渠道组成。台阶上的水流分成两种形态：舌形水流
（插图1）和表层水流（插图2）。在舌形水流形态中，总的水流跌落可以分成许多小的自由跌落；水流的过程就是从一个台阶到下一个台阶的不断跌落。在大多数情况下，水流从每个台阶跌落冲击下一个台阶上，并随之产生一个水跃。水流经在台阶上的射流掺混，在空气中破裂，在台阶上形成的完全水跃或不完全水跃来消能。对于舌形水流形态，台阶的水平长度需要相对大些，这种情况并不经常可以实现，但是却适用于比较缓的溢洪道，河流和台阶式渠道。
而在表层水流形态中，沿台阶表面向下的水流表现为粘滞流，表层水流流过台阶，并有台阶间的洄流作为水垫。台阶的外角连线形成了水流流过的虚拟底板。在这虚拟底板下面，产生了洄流旋涡，水流通过台阶外角剪切力的传递保持的这些旋涡。在溢洪道最初的台阶上，水流平滑并没有空气掺入；而在最初几个未掺气的台阶以后，水流表现为：当快速发展的边界层到达水流表面时，空气强烈地掺入了（插图3）。由于动能转化为旋涡的作用，加强了消能效果。大坝上，表层水流形态比舌形水流形态消能更充分。
对于泄量小且底坡比较平缓的情况，水流表现为连续跌落的舌形水流。泄量增加或底坡变陡则可能导致出现表层水流形态。当自由跌落水舌下的 空腔消失时，表层水流形态就开始出现了。这种现象与掺气设施和通风孔的的空腔充填（或称淹没）类似。
插图2-表层水流形态
表层水流形态的发生是受泄量、台阶高度和长度等因素的作用。经过大量试验的研究，得到以下表达式：
式中：dc—临界水深；
h—台阶高度；
—台阶级宽。
雅苏达和欧苏（1999年）提供了两个方程式，用于确定舌形水流流态上限和表层水流形态的下限。公式如下：
拉甲拉特南（1990）简化了表层水流的判别式，采用以下简化公式确定是表层水流还是舌形水流。
如果
>0.8，是表层水流。
斯迪芬森（1991年）提出了以下判别式来确定是否是舌形水流。
是舌形水流，且
，
当
时，水流处于过渡（舌形水流或表层水流）状态。
设计的不同方面
台阶式溢洪道水力设计的主要方面可列举如下：i) 消能和台阶尺寸；ii) 掺气和消气；iii) 初始点的确定。
i) 消能
台阶式溢洪道的消能率是台阶尺寸和泄槽纵坡的
插图3- 台阶式溢洪道流态
函数。坡度增大，消能率减小；而台阶尺寸越大，消能越多。
舌形水流的消能随台阶数的减少而增加，随纵坡坡度的增加而减小。
ii) 掺气和消气
台阶式溢洪道中，坡度越陡则掺气相应增加。随着台阶尺寸的加大，相应也增大了掺气。但是，掺气多却使溢洪道的消能率降低，水体膨胀。为减小空蚀破坏的风险，掺气水流中至少需要大约4%~8%的含气浓度。
水中溶气对环境的影响也相当严重。在深池中，高掺气的水流在光照射下，造成静水压力迫使大气中的气体溶解；由于气泡损伤，导致幼鱼死亡。为避免上述情况发生，设计溢洪道时应限制水的饱和度到110% TDG左右。采用台阶式溢洪道，在消能上能有所帮助，可形成浅的消力池，降低掺气水流中静水压力的作用。
iii) 确定初始点
初始点是边界流与水流上游面的交点。在初始点之前，可能会有空穴发生，而在初始点之后，由于掺入了一定量的气体，空穴风险就降低了。如果泄量大些，则初始点下移，形成一大片未掺气水流区，该范围空穴风险实际上存在于较高的流速。
：
1. Chanson, H. (1994), “Hydraulic Design of Stepped Case s, Channels, Weirs and Spillway”.
2. Visher D. L. and Hager W.H., (1995), “Energy Dissipater”, AA-Balkma /Rotterdam / Brookfield / Netherlands.
3. Miller D. S (1995), “Hydraulic Structure Design Manual”, AA-Balkma /Rotterdam / Brookfield / Netherlands.
4. Minor H. E. and Hager W. H (1995), “Hydraulics of Stepped Spillway”, AA-Balkma /Rotterdam / Brookfield / Netherlands.
插图4-掺气流与不掺气流区域
