陡槽式溢洪道阶梯溢洪道运行流态和能量消耗

陡槽段阶梯上的水流一般可以分为跌落水流、过渡水流和滑行水流。各种流动形式具体表现为：

(1)跌落水流：当来流量较小时，阶梯的高度相对水流的水深较大，陡槽上游阶梯上水流出现弯曲贴流现象或者为跌落出射状；下游阶梯水流出现跌落出射状，跌落射流与阶梯跌坎下游面之间存在空腔；

(2)过渡水流：过渡水流是跌落水流和滑行水流之间形成的一种水流现象，其水流波动较大，有些阶梯跌坎下游面区域出现空腔，有些阶梯下游面则出现漩涡流；

(3)滑行水流：水流流经阶梯时，每一个阶梯下游面区域充满水，并形成稳定的漩涡，漩涡的旋转方向与主流流动方向相同。

陡槽段的滑行水流视其掺气情况可以分为即光滑水流、掺气过渡区水流和完全掺气水流。水流掺气后，各级阶梯跌坎沿程的流速较接近，水面明显掺气，沿程水深变化较小，说明陡槽段的泄流能量往下游是逐渐减小的。2100433B

溢洪道陡槽段阶梯消能工的基本尺寸见下图《溢洪道陡槽段阶梯消能工的基本尺寸》所示 。

阶梯消能工促进水流消能的机理主要是陡槽面的阶梯增加了溢流槽面的“表面糙率”。当泄流流过溢洪道陡槽段阶梯时，一方面由于阶梯产生落差跌流，在阶梯跌坎下游内部产生稳定的低压漩涡；另一方面阶梯跌坎顶不断产生小漩涡，并卷入大量空气，由此加剧了泄流的紊动，加速了坝面紊流边界层的发展，在一定的单宽流量条件下，沿程水气与水流充分掺混形成稳定的掺气水流，槽面水深增大，流速相应减小，故耗散了坝面泄流的大量能量，大大增加了泄流的消能率。

自20世纪80年代以来，阶梯消能工(跌坎)引起水利工程界的重视，并得到较广泛的研究和应用，是近年来较成功应用于溢洪道陡槽段的新型辅助消能工。阶梯跌坎消杀了溢洪道陡槽段泄流的部分能量，大大减小了溢洪道陡槽末端的消力池尺寸，节省了工程量和投资。国内已修建了多座阶梯式溢洪道，阶梯消能工主要应用在坡度较陡的溢流坝上，且为内凹的连续式阶梯消能工。国内中小型水库的主、副坝多为土坝，坝坡较缓，其溢洪道陡槽段坡度较缓。结合中小型水库工程实际，在水库溢拱道修建或改造的基础上，在溢洪道陡槽段设置阶梯跌坎，以消杀溢洪道陡槽段泄流的部分能量，减小陡槽段末端消力池尺寸，或使陡槽上的多级消力池改造为只有陡槽末端的一个消力池 。

当枢纽附近的岸边有高程适宜的马鞍形垭口时，采用正槽式溢洪道可以节省土石方开挖量。正槽式溢洪道布置在岩基上可以节省混凝土衬砌工程量并有利于工程的安全。正槽式溢洪道的进出口与坝体间要有适当距离、进出水流顺畅，以免影响其他建筑物的正常运行。

正槽式溢洪道由于全部是开敞的，正向进流、泄洪能力大、结构比较简单、运行安全可靠，便于施工、管理和维修，因此在水利枢纽中采用得最多 。

正槽式溢洪道的进水渠是水库与控制端之间的连接段，它具有引水和调整水流的作用。当控制端紧靠水库时，此段只是一个呈喇叭口形的导流墙延伸至水库内。控制端主要由溢流堰和闸门来控制溢洪道的泄流量，设计时要合理地选择其形式和确定溢流堰高程及溢流前沿长度。溢洪道的下泄水流具有很大的动能，消能工的作用是消散泄流的能量，防止泄流对下游的有害冲刷，可按泄水建筑物消能防冲的洪水标准设计。当消能后的泄流不能直接进入原河道时，需设泄水渠使泄流与下游河道的正常水流衔接。