陡槽式溢洪道階梯溢洪道消能機(jī)理

階梯消能工促進(jìn)水流消能的機(jī)理主要是陡槽面的階梯增加了溢流槽面的“表面糙率”。當(dāng)泄流流過溢洪道陡槽段階梯時，一方面由于階梯產(chǎn)生落差跌流，在階梯跌坎下游內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定的低壓漩渦；另一方面階梯跌坎頂不斷產(chǎn)生小漩渦，并卷入大量空氣，由此加劇了泄流的紊動，加速了壩面紊流邊界層的發(fā)展，在一定的單寬流量條件下，沿程水氣與水流充分摻混形成穩(wěn)定的摻氣水流，槽面水深增大，流速相應(yīng)減小，故耗散了壩面泄流的大量能量，大大增加了泄流的消能率。

自20世紀(jì)80年代以來，階梯消能工(跌坎)引起水利工程界的重視，并得到較廣泛的研究和應(yīng)用，是近年來較成功應(yīng)用于溢洪道陡槽段的新型輔助消能工。階梯跌坎消殺了溢洪道陡槽段泄流的部分能量，大大減小了溢洪道陡槽末端的消力池尺寸，節(jié)省了工程量和投資。國內(nèi)已修建了多座階梯式溢洪道，階梯消能工主要應(yīng)用在坡度較陡的溢流壩上，且為內(nèi)凹的連續(xù)式階梯消能工。國內(nèi)中小型水庫的主、副壩多為土壩，壩坡較緩，其溢洪道陡槽段坡度較緩。結(jié)合中小型水庫工程實際，在水庫溢拱道修建或改造的基礎(chǔ)上，在溢洪道陡槽段設(shè)置階梯跌坎，以消殺溢洪道陡槽段泄流的部分能量，減小陡槽段末端消力池尺寸，或使陡槽上的多級消力池改造為只有陡槽末端的一個消力池 。

溢洪道陡槽段階梯消能工的基本尺寸見下圖《溢洪道陡槽段階梯消能工的基本尺寸》所示 。

陡槽段階梯上的水流一般可以分為跌落水流、過渡水流和滑行水流。各種流動形式具體表現(xiàn)為：

(1)跌落水流：當(dāng)來流量較小時，階梯的高度相對水流的水深較大，陡槽上游階梯上水流出現(xiàn)彎曲貼流現(xiàn)象或者為跌落出射狀；下游階梯水流出現(xiàn)跌落出射狀，跌落射流與階梯跌坎下游面之間存在空腔；

(2)過渡水流：過渡水流是跌落水流和滑行水流之間形成的一種水流現(xiàn)象，其水流波動較大，有些階梯跌坎下游面區(qū)域出現(xiàn)空腔，有些階梯下游面則出現(xiàn)漩渦流；

(3)滑行水流：水流流經(jīng)階梯時，每一個階梯下游面區(qū)域充滿水，并形成穩(wěn)定的漩渦，漩渦的旋轉(zhuǎn)方向與主流流動方向相同。

陡槽段的滑行水流視其摻氣情況可以分為即光滑水流、摻氣過渡區(qū)水流和完全摻氣水流。水流摻氣后，各級階梯跌坎沿程的流速較接近，水面明顯摻氣，沿程水深變化較小，說明陡槽段的泄流能量往下游是逐漸減小的。2100433B

當(dāng)樞紐附近的岸邊有高程適宜的馬鞍形埡口時，采用正槽式溢洪道可以節(jié)省土石方開挖量。正槽式溢洪道布置在巖基上可以節(jié)省混凝土襯砌工程量并有利于工程的安全。正槽式溢洪道的進(jìn)出口與壩體間要有適當(dāng)距離、進(jìn)出水流順暢，以免影響其他建筑物的正常運(yùn)行。

正槽式溢洪道由于全部是開敞的，正向進(jìn)流、泄洪能力大、結(jié)構(gòu)比較簡單、運(yùn)行安全可靠，便于施工、管理和維修，因此在水利樞紐中采用得最多 。

正槽式溢洪道的進(jìn)水渠是水庫與控制端之間的連接段，它具有引水和調(diào)整水流的作用。當(dāng)控制端緊靠水庫時，此段只是一個呈喇叭口形的導(dǎo)流墻延伸至水庫內(nèi)?？刂贫酥饕梢缌餮吆烷l門來控制溢洪道的泄流量，設(shè)計時要合理地選擇其形式和確定溢流堰高程及溢流前沿長度。溢洪道的下泄水流具有很大的動能，消能工的作用是消散泄流的能量，防止泄流對下游的有害沖刷，可按泄水建筑物消能防沖的洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。當(dāng)消能后的泄流不能直接進(jìn)入原河道時，需設(shè)泄水渠使泄流與下游河道的正常水流銜接。