2 关于阶梯状坝面或陡坡

近年有些工程采用了阶梯状陡坡，即利用陡坡上的连续跌水消耗部分能量，使水流的速度减缓，减轻下游消能工的压力。从固定边界的物理模型试验现场看，似有一定道理。采用阶梯状坝面或陡坡，其实是利用水流与边界产生机械撞击并产生旋滚，沿程消耗水流的部分动能，减轻末端消能设施的负担。但工程上常称的“容许流速”，只适用于流线与边界平行的条件，此时水流与边界间的相互作用除剪切力外，只有紊动产生的混渗阻力，水流对边界的破坏力较小；如水流方向与边界成一定角度，含有垂直指向边界的分速度，水流与边界间的相互作用除剪切和紊动产生的混渗作用外，还包含有对边界破坏力极大的机械撞击。“水滴石穿”就是人们对自然界这种水力机械撞击现象长期总结出来的、妇孺皆知的结论。公用水龙头的下方，无论使用多高标号的混凝土也往往被流速较小的水流、水滴长期冲刷成坑，就是一个有力的例证。水流与边界间若存在机械撞击，则边界出现损毁的机会和程度比流线平行边界时要大得多。图2为我国某大（1）型水库灌溉放水洞出水口的纵剖面示意图，该工程建成于20世纪60年代前期。为有助于出洞水流在下消力池的陡坡前充分扩散，改善陡坡上波状水跃的程度，设计人员根据物理模型的试验结论，在出流平台末端的陡坡前设置了分流矮槛，使出流水舌略向上挑起扩散后，再通过陡坡进入消力池。从现场观测可见，矮槛的分流效果较好。然而该工程运用数年后，发现钢筋混凝土结构的陡坡表面被严重冲蚀，最大冲蚀深度超过10cm，大范围表层钢筋网裸露。1972年经有关专家分析，发现破坏最严重处为水舌挑起后的落点，而泄放的是清水，无砂、石的磨损。笔者至今仍认为，除了进入陡坡水流方向与坡面有一定交角，产生一定程度的机械撞击导致破坏外，找不出其他可引起陡坡面被冲蚀破坏的原因。

图2 放水洞出水口的纵剖面及陡坡破坏示意图

在阶梯状陡坡能提供更多可供参考的运用经验和教训之前，笔者建议：最好在不常过水的、易于维修的溢流坝或溢洪道中试用，并注意观察和总结运用经验；此外，因阶梯状陡坡中的水流并不是完全均匀流动的，水流对边界的机械撞击还会诱发比平底陡坡强烈得多的脉动和振动，若在软基溢洪道的陡坡使用时，应考虑底板有足够抵御水流冲击力及其激起的振动破坏的能力，阶梯状陡坡的底板应比光面陡坡加强和加厚；再者，为尽可能减少陡坡末端护坦所受水舌的机械撞击，陡坡与护坦最好用圆弧连接。