阶梯-深潭系统消能研究综述

针对山区河流中自然形成的阶梯-深潭系统消能研究相对滞后的现状,归纳总结阶梯-深潭系统及台阶式溢洪道已有消能研究成果,从总流能量守恒方程出发,分析阶梯-深潭系统消能机理及消能率影响因素。认为台阶式溢洪道与阶梯-深潭系统的消能方式具有相似性和可比性。研究表明,在不同流量情况下,阶梯-深潭系统消能方式有显著区别,消能率存在较大差异;阶梯-深潭系统消能率的影响因素有坡降、糙率、粒径、阶梯高度和上游来流量,其中阶梯高度、坡降、糙率和粒径与消能率成正比,上游来流量与消能率成反比。认为阶梯-深潭系统消能的进一步研究需要结合大量野外调查数据,研究阶梯-深潭系统的几何特征,测量阶梯-深潭系统流场,进而得到水流能量的传递和耗散规律。     

消能结构防治泥石流研究——以文家沟为例

阶梯-深潭系统作为一种新的消能结构在2009年用于文家沟滑坡体上新生沟谷的泥石流治理研究。阶梯-深潭系统在阶梯和水跃段耗散了水流大量的能量,使得水流中的能量减小到不足以触发泥石流,理论分析表明阶梯-深潭系统可以耗散水流三分之二的能量,即同样状况下触发泥石流的临界流量需增加三倍。阶梯-深潭系统使得水流阻力最大化,避免河床和岸坡遭受侵蚀。2009年的几次暴雨没有在文家沟引发泥石流。然而,2010年在沟内修筑了20道拦挡坝来代替阶梯-深潭系统,经过2010年8月暴雨后,20座拦挡坝全部被破坏。沟谷再次下切了50m。沟谷下切和侧蚀导致大量松散堆积物进入沟道形成泥石流,约450万m3冲出沟口,造成大量的房屋被埋以及14人死亡。比较两种防治方法可以看出,以消能为目的的阶梯-深潭系统对防治泥石流是成功的。拦挡坝在稳定的情况下可以减少边坡的垮塌,而阶梯-深潭系统还能够通过耗散水流能量稳定沟道,因此采用拦挡坝和阶梯-深潭系统相结合的方式来稳定滑坡体上的新生沟谷,并控制泥石流可能效果会更明显。     

怒江干流堰塞坝特征及稳定河床机制

滇西怒江是青藏高原东缘地形急变带内深切河流的典型代表,因崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害在干流形成数百个稳定堰塞坝,有效抑制了河流下切。为探究怒江堰塞坝发育及提升河床稳定性的负反馈机制,通过野外考察和卫星影像,总结了怒江干流沿程和堰塞坝地貌特征,基于地貌水力特性对堰塞坝分类,并量化评估不同类别堰塞坝的稳定性和消能率特征。研究结果表明,怒江干流的堰塞坝分布密度较高,且与单宽水流能量正相关。干流堰塞坝可分为崩塌滑坡(崩滑)堰塞坝与泥石流堰塞坝。崩滑堰塞坝可在特大洪水中保持稳定,泥石流堰塞坝则可在一般性洪水中稳定。两类堰塞坝的消能率接近自然阶梯-深潭结构。崩滑堰塞坝消能率随单宽水流能量增大而提高,而泥石流堰塞坝则因较大的河谷横向空间汛期单宽水流能量增长较慢。干流堰塞坝的稳定性和消能特点均与当地单宽水流能量特点匹配,从而持久高效地消耗水流能量,提升河床整体稳定性。     

陡槽溢洪道外凸式阶梯消能试验研究

溢洪道陡槽段设置阶梯跌坎辅助消能工之后,可大大增加陡槽段泄流的消能率。该文根据坡度i=1∶2~1∶6溢洪道陡槽段设置的外凸型阶梯消能工的水力模型试验资料的总结,对陡槽段不同体型的阶梯跌坎的运行流态、消能率等水力参数进行研究,分析了影响阶梯陡槽段水流消能率的主要因素,并对陡槽溢洪道阶梯体型的布置方法进行探讨,研究成果可供工程设计和运行参考。     

阶梯-深潭的形成及作用机理

阶梯-深潭系统是山区河流中常见的河床微地貌现象。本文通过水槽实验，研究了在不同的水流流量、河床坡度、床沙级配和上游来沙率条件下，阶梯-深潭的形成过程。在此基础上探讨了阶梯-深潭的发育和作用机理。通过定义阶梯-深潭发育程度系数SP，结合水槽实验结果和天然阶梯-深潭河流的资料，总结阶梯-深潭的发育条件，得出了SP与河道坡度、床沙级配、上游来沙率之间的关系式，并分析了阶梯-深潭系统增加水流阻力，消减水流动能，稳定河床的作用。     

阶梯-深潭结构旋涡辅助消能机理初探

阶梯-深潭系统的消能作用主要集中在深潭内,这是与深潭内水流的复杂流态有关的。梯上水流跌落深潭,与潭内水流发生碰撞,进而下切,引起旋滚、翻腾、紊动等一系列利于能量交换的现象。水流在深潭内经历急流向缓流转变的过程,能量随之被消刹在潭内,进而流向下游,达到消能的目的。在潭内复杂流态的分析上,旋涡的分析是具有代表性的,潭内无论出现横轴旋涡或者立轴旋涡,从它们与潭内水流翻滚摩擦以及旋涡间互相影响的角度来说,都是有利于消能的。     

阶梯式消能工的试验研究及在南果河水电站的应用

自８０年代的Ｍｏｎｋｓｖｉｌｌｅ坝开始，阶梯式消能工的应用范围已扩展到大中型工程，结合我国援外项目－老挝南果河水电站前池溢流陡槽的消能设计，对阶梯式消能工进行了分析和试验研究，结果表明：在设计流量条件下，阶梯消能工消能率达到７３％，且阶梯上不易产生空蚀破坏。同时，由于水流能量大部分在陡槽上消除，故能大大减少下游消力池的工程量。     

某水库岸边溢洪道体型优化试验研究

结合某中低水头水库工程的岸边溢洪道,以水流流态衔接、减小消力池规模为控制指标,采用物理模型试验比较了采用"光滑溢洪道+底流消力池"与"前置掺气坎式阶梯溢洪道+底流消力池"两种消能方案的优劣,对不同布置方案在不同运行工况下的水流流态、入池流速与消能率等水力学指标进行详细对比分析。研究成果表明:采用前置掺气坎式阶梯溢洪道后,消力池长度能缩短57.1%,入池流速减小最大达51.18%,综合消能率大于84%。同时,前置掺气坎式阶梯溢洪道使阶梯泄槽内掺气更充分,继而可减小发生空蚀破坏的可能性。研究成果可为类似工程设计提供一定的参考。     

新疆某水电站溢洪道台阶段水工模型试验研究

通过建立溢洪道物理模型,在台阶坡度恒定条件下,试验采用0.65、1.0和1.3 m三种台阶高度,研究不同水位下的消能效率、掺气状况及水流流态,研究表明:同一台阶消能率与单宽流量成反比,单宽流量越大,消能效果越差;对不同台阶高度,台阶高度越高,消能率也越大。增加掺气坎,可使水流充分掺气,水流流态良好,可保证台阶面安全可靠运行。     

内凹型和外凸型阶梯陡坡段水力特性研究

根据溢洪道陡坡段坡度的大小,可设置连续的内凹型阶梯和不连续的外凸型阶梯两种形式的辅助消能工,以增大陡坡段泄流的摩阻和跌流,降低流速,增加泄流的消能率。基于水力模型试验,对溢洪道陡坡段坡度1∶1.5的连续的内凹型阶梯和不连续的外凸型阶梯的泄流流态和消能率进行比较和分析。试验表明:在相同陡坡段坡度条件下,不连续的外凸型阶梯数明显少于连续的内凹型阶梯,但单位根数的外凸型阶梯的糙率相对较大,外凸型阶梯陡坡段泄流消能率相应大于内凹型阶梯陡坡段。因此,当溢洪道陡坡段坡度i≤1∶1.5时,若工程布置条件许可,可优先选用不连续的外凸型阶梯,以获得较大的泄流消能率,同时也可以简化阶梯体型、便于工程施工。