階梯式陡坡消能在山地城市截洪溝的應(yīng)用

項(xiàng)文月

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

階梯式陡坡消能在山地城市截洪溝的應(yīng)用

項(xiàng)文月

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

在山地城市截洪溝往往需要修建陡坡、跌水等落差建筑物用以連接上下游渠道。常見(jiàn)的陡坡有光滑陡坡和階梯式陡坡，與光滑式陡坡相比，階梯式陡坡增大了溢流槽的“糙率”，使消能效率大大提高。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)階梯式陡坡消能的效率大于50%，同時(shí)減小下游消力池的長(zhǎng)度和深度，特別適用于中小型水利工程的效能減速[1]。

階梯式陡坡；消能；山地城市

一、引言

近年來(lái)，各地城市化進(jìn)程不斷加快，越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目興建在山區(qū)或者丘陵地區(qū)，這使得山坡排洪問(wèn)題日益突出，為了解決這一問(wèn)題往往需要依山修建截洪溝從而把山坡洪水安全引入下游的市政排水系統(tǒng)中。然而山地城市地形復(fù)雜，縱坡變化大，截洪溝的平面設(shè)計(jì)往往面臨距離短，高差大的陡坡，如何結(jié)合地形選擇合理的跌水消能工是截洪溝設(shè)計(jì)時(shí)面臨的必然問(wèn)題，實(shí)踐證明在陡坡地段采用階梯急流槽跌水工藝處理截洪溝高跌差能較好地解決問(wèn)題。

二、階梯式陡坡消能工藝構(gòu)造

階梯式陡坡的坡度一般大于臨界坡度，一般取1:5～1:2.5，目的是在很短的距離內(nèi)在水面落差很大的情況下解決水流消能的問(wèn)題。階梯式陡坡消能工是將陡坡泄槽段的底部做成若干個(gè)小臺(tái)階，使水流發(fā)生摻氣，水深增大，流速減小，從而增強(qiáng)消能作用的一種消能型式，對(duì)于小單寬流量和較淺水深時(shí)采用階梯式陡坡消能效果良好，消能率能達(dá)到 70%～97%[2]，山地城市截洪溝的設(shè)計(jì)正好滿足這些條件。階梯的高度應(yīng)結(jié)合陡坡坡度和具體地形進(jìn)行設(shè)置，一般取0.3～0.6m。

三、階梯式陡坡消能水力計(jì)算

階梯式陡坡急流槽由進(jìn)口段、控制段、陡坡段、消能設(shè)施和出口段五段組成。其中陡坡段水力參數(shù)的計(jì)算最為復(fù)雜。水深的計(jì)算推薦使用Bose和Hager[3]提出的公式，此公式是以摻氣濃度達(dá)到90%的水深Y90為依據(jù)，公式如下：

k=hcosθ

式中:Y90——摻氣濃度達(dá)到90%的水深，m；

k——每級(jí)臺(tái)階的粗糙高度，m；

θ——斜坡與水平面的夾角，°；

Fr——傅汝德數(shù)；

h——每級(jí)臺(tái)階的高度，m。

流速通過(guò)能量守恒方程計(jì)算，能量損失通過(guò)消能率表示，消能率的計(jì)算推薦使用Chanson公式[4]計(jì)算，公式如下：

式中:η——消能率；

Hmax——從臺(tái)階起點(diǎn)上游斷面的總能量水頭，m；

ΔH1——上、下游斷面的能量損失，m；

yc——臨界水深，m；

Hd——臺(tái)階渠道總高度，m。

四、階梯式陡坡消能效率影響因素[5]

經(jīng)研究階梯式陡坡的消能率隨單寬流量的增大而減??；在單寬流量不變的情況下，消能率隨流程長(zhǎng)度呈線性增加；臺(tái)階高度增加消能效率增加；豎直高度相同時(shí)，消能效率隨坡度先增大后減小，坡度對(duì)消能效率的影響較為復(fù)雜，建議取0.2～0.4。

五、階梯式陡坡設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)陡坡急流槽底板可采取防滲、排水、止水、錨固等必要的工程措施。

(2)陡坡急流槽底板應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，其位置應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)布置要求，一般每隔 2m 設(shè)一道沉降縫，在地質(zhì)條件發(fā)生變化的地方應(yīng)加設(shè)沉降縫。

(3)陡坡急流槽基礎(chǔ)采用 1:0.15 反坡，分臺(tái)階開(kāi)挖，地基承載力需滿足 0.2MPa。

六、總結(jié)

階梯式陡坡消能工是應(yīng)用在水利工程泄水建筑物的一種新型消能工，它增加了泄水建筑物陡坡段泄流紊動(dòng)、摻氣和漩滾消能，降低陡坡段流速，簡(jiǎn)化了下游消能設(shè)施，應(yīng)用于山地截洪溝處理消能效果良好，同時(shí)結(jié)構(gòu)物簡(jiǎn)單、造價(jià)低，便于現(xiàn)場(chǎng)施工。急流槽水流流態(tài)、摻氣過(guò)程復(fù)雜，實(shí)際工程中應(yīng)加以考慮。

[1]李奇,侯燕鴻，王東海.陡坡臺(tái)階式排洪渠道水力計(jì)算公式探討[J].給水排水，2015.0353

[2]劉士和《高速水流》[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

[3]李奇,侯燕鴻，王東海.陡坡臺(tái)階式排洪渠道水力計(jì)算公式探討[J].給水排水，2015.0353

[4]李奇,侯燕鴻，王東海.陡坡臺(tái)階式排洪渠道水力計(jì)算公式探討[J].給水排水，2015.0353

[5]秦廣莉.臺(tái)階式溢洪道消能率影響因素分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016.02.018.

項(xiàng)文月(1992-)，女，重慶人，研究生，研究方向水工結(jié)構(gòu)工程。