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影响阶梯-深潭结构消能率的主要因素分析胡骏峰;漆力健;黄华东;黄诗渊【期刊名称】《五邑大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)002【摘要】The step-pool system is one of the most important and widespread riverbed forms of mountain rivers. Exploring the shape and size of step-pool systems is of great significance to understanding the stability and fluvial process of mountain river beds. This paper purports to study the influencing factors in the energy dissipation rates of step-pool systems. It uses field experiments to measure the height of step, stream flow and volume to get the energy dissipation rate of a step-pool system. Research results show that stream flow volume ratio, the ratio of high and length for step-pool systems and the means of outflow have a significant effect on the energy dissipatio n. On one hand, with the increase of α and γ , energy dissipation decreases gradually. On the other hand, when γis larger than 1.100 and α larger than 0.084, the effect of the type of slide is often more significant than the type of falling. This research provides a theoretical foundation for selecting the proper size for step-pool systems in engineering.%阶梯-深潭系统是山区河流广泛分布的重要河床结构，探究其形态和尺寸的规律对于认识山区河流稳定性及河床演变具有重要意义.以探究影响阶梯-深潭结构消能率的因素为目的，通过选取野外发育良好的阶梯-深潭典型跌落式和滑落式结构，实测阶梯高度、深潭容积等基本参数，计算消能率的大小，并通过数据分析影响消能率的主要因素.结果表明：流量容积比α、阶梯-深潭高长比γ和出流方式对阶梯-深潭的消能率有较大影响，随着α和γ的增加，消能率逐渐降低；当α大于0.084、γ大于1.100时，滑落式的消能效果普遍优于跌落式.该研究结果为工程中选择适当的阶梯-深潭结构体型、尺寸提供了理论依据.【总页数】5页(P26-30)【作者】胡骏峰;漆力健;黄华东;黄诗渊【作者单位】重庆交通大学河海学院，重庆 400074;四川农业大学水利与建筑工程系，四川雅安 625014;重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074;重庆交通大学河海学院，重庆 400074【正文语种】中文【中图分类】TV143【相关文献】1.阶梯-深潭流场结构特征研究 [J], 黄华东;漆力健;余国安;陈社鸿2.阶梯-深潭消能率的模拟研究 [J], 黄华东;漆力健;陈社鸿3.人工阶梯-深潭结构对河床冲刷的试验研究 [J], 王伟4.阶梯-深潭结构的潜流交换及污染物运移模拟 [J], 王伟5.阶梯-深潭系统消能率试验研究 [J], 李文哲;王兆印;李志威因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
台阶式溢洪道滑行水流消能特性研究作者：于进伟刘韩生来源：《人民黄河》2018年第04期摘要：台阶式溢洪道的消能特性是研究的热点方向，而单纯的台阶式溢洪道消能率并不能有效反映台阶在消能方面的价值。
将台阶式溢洪道和同体形光滑溢洪道的消能规律进行对比，可以准确反映出台阶结构对水流消能的贡献。
通过对26.56°、38.66°、51.30°三组坡度，0.5、1.0、2.0m三种台阶高度的台阶式溢洪道进行水工模型试验研究，探讨了不同台阶高度（d）、单宽流量（q）、坡度（θ下相对消能率（△η）和台阶流程长度与水深比（L/h的关系。
结果表明：台阶水流为滑行流态时，在非均匀流段上相对消能率和台阶流程长度与水深比呈线性关系，复相关系数R2在0.9846～0.9962之间，直线斜率随单宽流量、台阶高度、坡度的增大而增大。
试验分析证实了研究相对消能率的必要性，△η和L/h的线性关系为进一步探究台阶的消能特性提供了依据。
关键词：台阶式溢洪道；相对消能率；线性关系；单宽流量：坡度；台阶高度；水深中图分类号：TV135.2文獻标志码：Adoi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.028近年来，台阶式溢洪道在国内外水利工程中被广泛应用，各国学者对台阶结构的水力特性进行了大量研究，研究成果颇为丰富。
而台阶式溢洪道的消能率一直是学者研究的焦点和重点，但鉴于台阶水流的复杂性，消能率的研究并未取得一致的结论，有必要进一步分析论证。
台阶式溢洪道是在传统光滑溢洪道的基础上发展而来的，吴宪生引入相对消能率的概念，提出相对消能率与单宽流量呈驼峰形关系，且随台阶高度不同略有变化：陆芳春等分析对比阶梯式溢洪道和光滑溢洪道的消能差异，提出相对消能率随综合无因次参数q/（dl.5go.5）（q为单宽流量，d为台阶高度，g为重力加速度）增大而减小；张峰等指出相对消能率可以有效反映台阶结构对水流消能的贡献，相对消能率越大，说明台阶对水流消能的贡献越大，越有必要采取台阶式溢洪道：杨吉健等研究探讨了相对消能率与流程、相对流速和相对弗劳德数的关系。
台阶后水流水力特性的试验及其数值模拟研究流动的分离与再附着是自然界、工业生产和人们的日常生活中常见的流动现象。
台阶后流动虽然结构简单,却包含流动分离与再附着的所有特征,因此,这种模型成为对分离与再附着流动进行研究的典型代表。
在河道突扩、泄洪洞中跌坎后的突扩分离流动等水利工程中,流动的分离与再附着往往伴随有空化与空蚀现象的发生,因此对台阶后流动进行研究,找到并改善容易发生空蚀的位置在水利工程中显得尤为重要。
本文通过相应的理论基础,采用PIV试验及数值模拟方法对台阶后水流流动特性进行研究。
采用粒子图像测速技术(PIV)对Re在500~80000之间的40种雷诺数下台阶后水流进行测量,使用Realizable k-ε湍流模型对这40种雷诺数下台阶后水流进行数值模拟,结合试验与数值模拟分析台阶后水流的二维及三维时均流动特性。
使用大涡数值模拟方法对Re=3040下台阶后水流进行数值模拟,分别设置3组不同的计算条件,从网格粗细、亚格子模式及压力-速度耦合算法等几个方面对模型进行验证,并分析水流的瞬时流动特性。
主要结论如下:(1)台阶后回流区长度X_r/h随着雷诺数的增加先增加后减小,最终稳定在6.6附近;二次回流区的长度随着雷诺数的增加逐渐减小,台阶处二次回流涡的尺寸逐渐减小。
(2)低雷诺数下,台阶高度以下湍动能呈抛物线分布,沿程逐渐减小,回流区内中心断面处流速最大;台阶高度以上湍动能呈S型分布,中心断面处流速较低。
高雷诺数下,台阶高度以下回流区内湍动能沿程增加,离开回流区后沿程逐渐减小;台阶高度以上湍动能沿程逐渐增加,流速受台阶后回流区漩涡的影响较小。
台阶后水流湍动能最大值的位置沿程逐渐降低。
(3)不同的网格粗细对大涡数值模拟结果的影响比较大,网格越细,结果越精确,但耗费的时间越长;不同的亚格子模式对大涡数值模拟结果的影响比较大,采用Smagorinsky-Lilly动力模式模拟所得结果明显优于采用Smagorinsky-Lilly模式和采用WALE模式模拟所得结果,但模拟所耗费时间也有所增加;不同的压力-速度耦合算法对大涡数值模拟结果的影响较小,采用PISO算法模拟所得结果优于采用SIMPLE算法和采用SIMPLEC算法所得结果。
阶梯-深潭系统的水力特性李文哲;王兆印;李志威;张晨笛;吕立群【期刊名称】《水科学进展》【年(卷),期】2014(25)3【摘要】阶梯-深潭系统是山区河流中常见的河床形态，具有稳定河床和消能减灾的作用，其水力特性较为复杂。
在温峡水库下游温峡河修建典型的阶梯-深潭系统开展野外实验以研究阶梯-深潭系统的水力特性。
利用先进的高频声学多普勒流速仪测量阶梯-深潭系统阶梯上游、阶梯上、深潭中和沿深泓线的水力特性。
实验在10 L/s、50 L/s、100 L/s、150 L/s、290 L/s 和 420 L/s 6种流量工况下进行。
实验结果表明：阶梯-深潭系统流场尤其是深潭流场具有很强的三维性，阶梯上与深潭中水力特性相差很大。
阶梯上沿流向的时均流速远大于横向和垂向的时均流速，三向紊动强度处在一个量级且较小。
深潭中的时均流速比阶梯上小，但紊动强度远大于阶梯，紊动强度随流量变大增大。
实验工况下，阶梯上的相对紊动强度在0.1左右，深潭中则最大超过8.0。
随着水流从阶梯上跌入深潭，机械能大量转化为紊动能消耗。
实验流量范围内，雷诺应力随流量小幅增大，深潭中的雷诺应力约为阶梯上的50倍。
阶梯-深潭系统消能率在实验工况下为64%-91%。
【总页数】9页(P374-382)【关键词】阶梯-深潭系统;剖面流速;紊动流速;消能率;雷诺应力【作者】李文哲;王兆印;李志威;张晨笛;吕立群【作者单位】清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室;中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TV143【相关文献】1.阶梯深潭系统消能研究综述 [J], 李文哲;王兆印;李志威2.阶梯-深潭系统消能机理的实验研究 [J], 李文哲;王兆印;李志威;张晨笛;吕立群3.基于CFX的阶梯—深潭多级消能系统数值模拟研究 [J], 王秀丽;朱晟国;梅凤军;徐江4.阶梯-深潭漩涡消能特性探究 [J], 胡骏峰;漆力健;黄华东5.推移质输沙对阶梯-深潭系统消能的影响 [J], 李文哲;李志威;王兆印因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
台阶式溢洪道各流况的消能特性摘要：在斜坡角度θ=19°的台阶式溢洪道上，转变其来流量、台阶高度及相对坝高等条件，对跌落水流、过涉水流及滑行水流，下游消力池形成临界水跃的跃前、跃后消能率进行了对如实验研究。
实验结果说明，在实验条件范围内，以上三种流态的消能率不同甚小，总消能率最大可达95%左右，其中跃前的消能率占85%以上。
关键词：台阶式溢洪道滑行水流过涉水流跌落水流水跃消能自古以来水利工程中为了排除过堰或过坝所形成的水流能量，一样都是利用光面溢洪道或溢流坝进行挑流消能或在下游修建消力池进行水跃消能。
并对溢洪道和溢流坝的局部不平整度做了严格的规定，以防产生空蚀破坏。
专门是垂直水流方向的局部不平整度，那么要求加倍严格。
尽管如此，溢洪道和溢流坝受到破坏的事例仍然很多[1]。
但近20连年来，随着RCC施工新技术的显现和应用，对溢洪道和溢流坝的体型设计产生了专门大的阻碍。
台阶式体型的溢洪道、溢流坝以其优于光面溢洪道、溢流坝的消能率而受到世界各国水利界人员的强烈关注，并进行了大量的实验研究[2]。
目前，世界上已经有几十座中小型水库采纳了台阶式消能设施，其最大坝高已超过91m。
有数座正在设计和施工的最大坝高已达100m以上，中国的大朝山及百色工程都在100m以上。
关于台阶式溢洪道滑行水流和跌落水流的消能率，目前仍存在着各类不同的说法和结论，因此，有必要进一步进行探讨。
已往的实验研究，坡角从°～75°的专门大范围，本文以滑行水流时阻力最大的斜坡(θ=19°)为对象[3]，使其在下游形成临界水跃，对跌落水流，过涉水流及滑行水流时的消能率进行了实验，并对各流况的能量损失做了比较。
1 实验条件实验用水槽宽B=，水槽长L=～，坝高Hdam=～，溢洪道的斜坡角度θ=19°，台阶高h=～，Hdam/yc=～，≤yc/h≤，跃后水深测量采纳测针读取，读取精度为，跃前断面底部压力用小型皮托管(静压管)量测。
研究阶梯-深潭系统的水力学特性阶梯-深潭系统是山区河流常见的河床微地貌现象，由一段陡坡和一段缓坡加上深潭相间连接而成，呈一系列阶梯状，是山区河流为维持稳定进行的自我调整。
中国山区面积大，分布广，阶梯-深潭系统在云南、四川和贵州等省份均广泛分布。
国际上对于阶梯-深潭系统的研究始于20 世纪80 年代，研究方向可分为3 个方面：①阶梯-深潭系统形态特征以及决定其形态特征的因素；阶梯-深潭系统形成和破坏机理；阶梯-深潭系统在防灾减灾和生态修复方面的应用。
国内对于阶梯-深潭系统的研究目前不多，王兆印等对阶梯-深潭系统的消能减灾和水生态学等方面开展了较系统的研究。
水力特性是阶梯-深潭系统的重要研究内容，但阶梯-深潭系统发育于山区河流，交通不便，而实验室因为场地、水流流量过小等限制因素，使得水槽实验无法开展，故关于阶梯-深潭系统的水力特性研究较为欠缺。
国外关于阶梯-深潭系统水力特性的研究也很少且以定性描述为主。
Wohl 和Thompson利用一维电磁流速仪对发育阶梯-深潭系统的河段开展断面流速测量。
Wilcox 和Wohl利用三维多普勒流速仪对阶梯-深潭系统的流场进行测量。
前者所用的流速仪为一维，难以反映阶梯-深潭系统的强三维水流特性，后者所使用的声学多普勒流速仪频率为1 Hz，测量的数据无法反映阶梯-深潭系统流场的强烈紊动特征。
本研究在天然河流中修建典型的人工阶梯-深潭系统，采用高频率（最大频率达200 Hz）声学多普勒流速仪测量阶梯-深潭系统阶梯上游、阶梯上和深潭中 3 个横断面和沿深泓线 1 个纵断面流速，得到阶梯-深潭系统不同部位时均流速、紊动强度、弗劳德数和雷诺应力的特征，计算阶梯-深潭系统的消能率，并对不同工况进行对比，这些工作为深入认识阶梯-深潭系统打下基础。
1、研究方法1.1 实验仪器本研究采用挪威Nortek公司生产的Vectrino声学多普勒点式流速仪（ADV）。
该款ADV可用于测量三维流速，测量技术的基础是相干多普勒处理，在测量时ADV发射声学脉冲，脉冲被水流中的颗粒或者气泡反射回来，ADV接受信号从而能够计算测量点的流速。
该款ADV具有测量精度高，无零点漂移的特点，其探头为侧向式，采样点距探头距离5 cm，采样体积0.085 cm3。
测量频率最大可至200Hz。
该仪器为阶梯-深潭系统研究领域所用流速测量仪器中采样频率最高，采样体积最小，野外实用性最强的一款ADV。
1.2 实验布置实验场地位于湖北省钟祥市温峡河上游，实验点上游300 m 处为温峡口水库大坝（图1（a））。
温峡口水库位于钟祥市东北部，总库容5.78 亿m3，是一座以灌溉、防洪为主，兼有发电、养殖、旅游等综合利用的大（二）型水利工程。
在非发电期间，实验河段流量稳定，日流量变幅在5%以内。
实验河段河宽为6.5 m，两岸为修砌好的浆砌石。
根据实验需求，在实验段修建拦水坝和隔水墙（图1（b））。
挡水坝高1.2 m，拦水坝主要功能为抬高水位和调节实验河道流量。
拦水坝分为左右两个坝段，左坝段长2 m，从左岸到隔水墙，设矩形溢流堰，用于测量实验河道的流量，实验开始前在溢流堰下游2m较平顺处进行流量校核。
矩形溢流堰下游为实验河段。
右坝段长4.5 m，从右岸到隔水墙。
右坝段设置由木闸板构成的调节闸门（图1（b）），通过增减闸板的高度调节实验河道的流量。
隔水墙距左岸2 m，长11 m，高1.1 m，平行于水流方向，分隔实验河道和原河道其余部分。
拦水坝和隔水墙采用钢筋混凝土现浇，牢固无裂缝无沉降。
隔水墙左岸的河道为实验河道，长11 m，宽2 m，阶梯-深潭系统在距离矩形堰4.5～8 m 范围内修建。
在云南、四川和贵州的多次野外河流调查发现，许多自然阶梯深潭都有类似7 块巨石的结构特征，因此本研究仿照自然修建典型的阶梯-深潭系统进行水力特性研究（图2（a））。
7 块巨石的阶梯-深潭系统具有这样的结构特征：1 号巨石位于整个结构最底部，其作用为防止水流淘刷阶梯-深潭系统底部并挑流消能。
2 号和3 号巨石紧接1 号巨石，流量较小时主要依靠它们消能。
4 号和 5 号巨石紧接2、3 号巨石，小流量时不会被淹没，大流量时水流完全淹没2、3 号巨石，主要依靠4、5 号巨石消能。
6 号和7 号巨石可以与前5 块连成一体，也可以有一定间隔，起到护岸作用，防止高速水流近岸和对4、5 号巨石两边的冲刷。
巨石三轴尺寸为0.5～1.0m，河道坡降为 6.2%。
实验河道上布置10 个地形测量断面，实验前测量河道地形。
流速测量完成后，对各个断面水深进行测量。
流速测量在3 个垂直流向和1 个顺流向的断面进行，3 个垂直水流流向的断面依次位于阶梯上游、阶梯上和深潭中，顺流向断面位于河道深泓线上（图2（b））。
在每个断面上布设有3～5 个测量垂线，均匀分布于各个断面上，每个垂线沿水深均匀布置流速测量点，除极少数水深很浅的垂线外，大部分垂线有 5 个测点，每个测点测量时间为90 s。
数据分析前对数据进行过滤，信噪比低于10 及高于35 的数据被舍弃。
数据中的一些“尖刺”（距平均值超过 3 倍标准差）也会被舍弃。
测量时在测点上方搭设木桥，木桥上安装可横向、垂向移动的支架，ADV 安装在支架上对断面所有测点进行测量。
实验在6 种工况下进行，流量依次为10L/s、50L/s、100L/s、150L/s、290L/s 和420L/s。
水力特性分析时选取工况3（100L/s）为典型工况，此工况下水流流过2、3 号巨石，4、5 号巨石没有被淹没。
对比流量间水力特性时，选取工况5（290L/s）作为对比工况，此时水流刚刚漫过4、5号巨石。
消能率分析时，6 种工况的消能率都计算。
2、阶梯-深潭系统水力特性瞬时流速分解为平均流速和脉动流速，即瞬时流速，U ，V，W为时均流速，u '，v'，w'为脉动流速，其中u 代表水流方向流速，v 代表横下规律相同，即阶梯上时均流速较大，以流向速度为主，紊动较弱；深潭中时均流速较低，紊动强烈，垂向紊动最大。
2.2 时均流速及弗劳德数分布阶梯上的垂线时均流速分布与明渠水槽中的流速分布类似，近似为对数分布（图4（a））。
深潭中由于阶梯上水流的入射和水跃的发生，垂线流速分布和阶梯上有所不同（图4（b）），负向流速的出现和相邻流层间巨大的流速梯度表明大尺度漩涡的存在。
选取工况3（100L/s）几个典型垂线，每条线代表一个测量垂线，线上的点代表一个测点的平均流速。
水流流经阶梯-深潭时，地形的变化使得时均流速沿程剧烈变化。
进入阶梯段后，时均流速增加，在跌下阶梯进入深潭前时均流速达到最大。
经过阶梯消能和水跃消能，时均流速在深潭达到最低，然后又会慢慢恢复（图5（a））。
图5（a）为工况3（100L/s）垂线平均流速沿深泓线变化线，以阶梯唇部为基准点，位于基准点下游为正，位于基准点上游为负。
弗劳德数沿深泓线的变化规律与时均流速相同（图5（b）），弗劳德数除了与时均流速有关外，还与水深有关，测量到的垂线中，阶梯唇部弗劳德数大于1，经过水流下跌后，弗劳德数会更大，并产生水跃。
其他工况反映的规律相同。
2.3 紊动强度分布阶梯上紊动强度垂线分布与明渠水流的紊动强度垂线分布结果大致一致（图6（a），图7（a）），在距离河床一定距离处达到最大，向河床和水面紊动强度均减小。
深潭中紊动强度垂线分布与明渠相差较大。
图6、图7 分别为工况3（100L/s）和工况5（290L/s）时阶梯和深潭上典型垂线紊动强度图，深潭中的紊动强度比阶梯上要大一个数量级以上。
阶梯上和深潭中，垂向紊动强度都是最大的。
紊动强度除以总流速，得到相对紊动强度。
在阶梯段，除了接近河床的测点相对紊动强度较大接近 1 外，其余各点相对紊动强度均远小于1（图6（b），图7（b））。
在深潭段，横向相对紊动强度有少数测点小于1，其余都远远大于1，尤其是垂向相对紊动强度，最大达到8 以上。
在阶梯段，紊动能量相对于时均能量较小，而深潭中紊动强度达到时均流速的数倍，甚至8 倍以上，这表明时均能剧烈地转化为紊动能。
对比图 6 和图7，随着流量增大，阶梯上紊动强度变化不大，深潭中紊动强度增强。
相对紊动强度方面，阶梯上垂线两种工况变化很小，深潭中尽管随着流量增大紊动强度增大，但时均流速同时增加，因此相对紊动强度变化很小。
2.4 雷诺应力分布及脉动流速象限分析三维流场中有3 个方向雷诺应力，分别为- uv、- uw和- vw，3 个中最大的是- uw，即上下流层间的水流团交换最剧烈。
图8 中，在工况3（100L/s）和工况5（290L/s）的阶梯和深潭各选一个典型垂线，作出 3 个雷诺应力沿水深分布，有实心点的线代表阶梯上的垂线，有空心点的线代表深潭中的垂线，可以看出深潭中的雷诺应力远大于阶梯上的雷诺应力，随着流量增大，雷诺应力小幅增大，从坐标尺度上看，深潭中比阶梯上大约50 倍。
图9 为在工况3 下阶梯-深潭系统阶梯上游段、阶梯上、深潭中3 个断面中间测量垂线h/2（h为水深）处测点的象限分析图，横坐标为沿流向脉动流速，纵坐标为垂向脉动流速。
深潭中点的范围远大于阶梯上游和阶梯上，说明其紊动强度更大。
阶梯上的点紊动强度小于阶梯上游的点，可能原因是阶梯上沿流向较大的正流速梯度抑制紊动。
2.5 阶梯-深潭系统的消能率水流从阶梯段到深潭段，经过阶梯消能和水跃消能，能量大量消耗，时均流速大大降低，阶梯-深潭系统的消能率采用总流能量方程计算。
以深潭下游断面河床为基准，列出上下游断面的能量方程：式中1U 、2U 分别为上游与下游的断面平均流速；1d 、2d 分别为上游与下游的断面水深；sH 为阶梯高度，即为上下游断面河床底部高程差；1a 、2a 分别为上游与下游的动能修正系数；fh 为水头损失；g 为重力加速度。
水流通过阶梯-深潭时，势能不断转化为动能，动能因河床结构的剧烈变化，不断转化为紊动能进而转化为热能消耗。
图10 为工况3（100L/s）时水流通过阶梯-深潭时时均动能和紊动能的变化线，以阶梯唇部为基准点。
单位水体动能在阶梯唇部达到最大，跌入深潭过程中，动能减小，紊动能增加，在深潭中动能降到最低，紊动能达到最大，显示出动能不断向紊动能转化。
3、结论（1）阶梯-深潭系统的阶梯上沿流向时均流速占主导，垂线分布接近对数分布。
在深潭中流场具有强三维性且三向时均流速处在一个量级，时均流速远小于阶梯上，流速梯度大并且存在负向流速。
垂线平均流速沿深泓线先增大后减小，在阶梯入射深潭前达到最大，在深潭中减小到最低。
（2）深潭中的紊动强度比阶梯上大一个量级并随着流量的增加而增大。
阶梯上和深潭中的垂向紊动强度都比其他两个方向的大。
实验工况下，阶梯段各点相对紊动强度远小于1，深潭段最大超过8。
