階梯式消能工在排洪渠中的應(yīng)用研究

田 杰

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原030002）

1 工程概況

山西中鋁合金鋁項(xiàng)目排洪渠工程位于山西省興縣瓦塘鎮(zhèn)嵐漪河南側(cè)低山丘陵上。工程主要有地下排水盲溝工程、地表排洪渠工程、擋土壩及棄土場(chǎng)四部分組成。受地形條件限制，排洪渠線路需穿過壩體，沿下游壩坡布設(shè)消能設(shè)施，將排洪渠內(nèi)的洪水排入下游河道內(nèi)。泄槽坡度為1∶3，泄槽長(zhǎng)度約220 m，臺(tái)階斷面泄槽寬度為14 m，臺(tái)階尺寸按長(zhǎng)度3 m，高度1 m 及長(zhǎng)度1.8 m、高度0.6 m 兩個(gè)方案考慮。

2 模型設(shè)計(jì)

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[1]，考慮到模型大廳場(chǎng)地等條件限制，選用幾何比尺為1∶40 的整體正態(tài)水工模型[2]。模型采用有機(jī)玻璃制作，可滿足糙率相似要求。模型包括上游供水段、模型試驗(yàn)段及回水段三部分，模型有效長(zhǎng)度10 m。

整個(gè)模型由緩坡段（樁號(hào)0+296.41～0+465.09）、陡坡段（樁號(hào)0+465.09～0+664.29）、消力池（樁號(hào)0+664.09～0+684.29）等部分組成。總占地面積約20 m×60 m。階梯式消能工模型布置詳見圖1。

3 模型試驗(yàn)工況

由于設(shè)計(jì)單位提出了兩個(gè)臺(tái)階斷面方案，因此本模型試驗(yàn)也分別按照兩個(gè)斷面方案進(jìn)行了流態(tài)觀測(cè)和流速以及水面線數(shù)據(jù)等水力學(xué)參數(shù)的量測(cè)，方案一臺(tái)階尺寸按長(zhǎng)度3 m，高度1 m 設(shè)計(jì)制作，方案二臺(tái)階尺寸按長(zhǎng)度1.8 m、高度0.6 m 設(shè)計(jì)制作。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 沿程水面線

試驗(yàn)中首先對(duì)100年一遇設(shè)計(jì)（洪峰流量為80.2 m3/s）條件下兩個(gè)方案的水面線進(jìn)行了量測(cè)，對(duì)水面線進(jìn)行量測(cè)可以對(duì)排洪渠泄槽段的沿程水深變化規(guī)律進(jìn)行分析，掌握泄槽內(nèi)水面橫向以及縱向分布特點(diǎn)，判斷泄槽邊墻高度是否合理。

圖1 階梯式消能工模型平面布置圖

方案一中，進(jìn)口段（樁號(hào)0+296.41 至0+346.41）水面較為穩(wěn)定，水深逐漸降低，彎道段（樁號(hào)0+346.41至0+409.92）受轉(zhuǎn)彎影響，左側(cè)水面高于右側(cè)水面，水面整體雍高，平均水深為1.97 m，至樁號(hào)0+465.09 水深降至1.46 m。陡坡段隨著流速增大，水深降低，在第一級(jí)陡坡前半段水面高程接近渠頂高程，在第二級(jí)陡坡前半段水面高程也接近渠頂高程。方案二的水面線變化規(guī)律和方案一基本一致，水面線均未超過邊墻高度，能夠滿足排洪渠泄水要求。

4.2 水流流態(tài)

在試驗(yàn)中對(duì)于兩個(gè)方案在設(shè)計(jì)流量下的水流流態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)，方案一中，進(jìn)口段（樁號(hào)0+296.41 至0+346.41），該段過水?dāng)嗝鎻奶菪螡u變?yōu)榫匦?，水流流態(tài)較為穩(wěn)定、平順，但有一定的波動(dòng)和折沖。轉(zhuǎn)彎段（樁號(hào)0+346.41 至0+409.92）受彎道水流影響，水面波動(dòng)較大。

矩形直線段（樁號(hào)0+409.92 至0+462.41）水流在該段流態(tài)逐漸均勻平穩(wěn)。陡坡段（樁號(hào)0+462.41 至0+664.29）下泄水流表面流態(tài)穩(wěn)定，底部水流受到臺(tái)階作用，逐漸形成穩(wěn)定的水流漩渦，而漩渦的強(qiáng)度與臺(tái)階式陡坡的坡度和臺(tái)階尺寸有關(guān)，水流表面流線與底部水流基本平行，水面波動(dòng)較小，而漩渦則發(fā)生在接近臺(tái)階立面處，在陡坡段的下游，水流漩渦波動(dòng)較大，而表面水流流態(tài)也產(chǎn)生了一定的波動(dòng)。

漩渦從第一級(jí)陡坡中段（樁號(hào)0+513.09）開始出現(xiàn)，位置緊貼臺(tái)階立面，約占整個(gè)臺(tái)階長(zhǎng)度的1/3，越往下游，漩渦尺寸逐漸變大，約占整個(gè)臺(tái)階長(zhǎng)度的1/2，漩渦的旋轉(zhuǎn)方向在與主流接觸的一側(cè)，同主流流動(dòng)方向一致，而主流受漩渦影響，出現(xiàn)較強(qiáng)的水力波動(dòng)，流態(tài)不太穩(wěn)定。樁號(hào)0+664.29 處，陡坡下泄水流流速達(dá)到最大，在消力池前端產(chǎn)生水躍，后端水流波動(dòng)較大。

方案二中，進(jìn)口段（樁號(hào)0+296.41 至462.41）由于和方案一相比并未發(fā)生任何改動(dòng)，因此其水流流態(tài)與方案一基本相同。

與方案一相比，陡坡段（樁號(hào)0+462.41 至0+664.29）下泄水流表面流態(tài)也比較穩(wěn)定，由于臺(tái)階尺寸較方案一變小，底部水流受到臺(tái)階作用的影響也相應(yīng)減弱，第一級(jí)陡坡段前部并未出現(xiàn)漩渦，在第一級(jí)陡坡段后部開始逐漸形成小的水流漩渦，而表面水流受到底部漩渦干擾較小，波動(dòng)也相應(yīng)不是很大。下泄水流在消力池前端產(chǎn)生表面水躍，后端水流波動(dòng)較大，其流態(tài)與方案一基本相同。

4.3 水流流速

通過對(duì)方案一流速量測(cè)結(jié)果可知，進(jìn)口段（樁號(hào)0+296.41 至0+346.41），流速逐漸增大，樁號(hào)0+296.41處平均流速2.99 m/s，最大流速3.25 m/s，左側(cè)流速較大，樁號(hào)0+316.41 處平均流速4.31 m/s，最大流速4.38 m/s，流速分布基本均勻，樁號(hào)0+326.41 處平均流速4.91 m/s，最大流速5.41 m/s，右側(cè)流速偏小。

彎道段受彎道水流影響，水位逐漸增加，流速相應(yīng)隨之降低，樁號(hào)0+346.41 平均流速5.35 m/s，最大流速5.47 m/s，流速分布較為均勻，彎道中部平均流速2.65 m/s，最大流速3.22 m/s 出現(xiàn)在左側(cè)，右側(cè)水位雍高，流速為1.57 m/s，流速分布不均勻；彎道末端樁號(hào)0+409.92 平均流速2.67 m/s，最大流速3.02 m/s，右側(cè)流速1.97 m/s，流速分布依然不太均勻。

在矩形直線段彎道水流逐步調(diào)整，樁號(hào)0+465.09平均流速5.79 m/s，最大流速6.37 m/s 出現(xiàn)在中間，兩側(cè)流速分布較為均勻。

陡坡段水面下降，流速較上游段有所增大，但因?yàn)槭芘_(tái)階消能作用，陡坡段流速并非逐漸增大，而是隨臺(tái)階消能情況而相應(yīng)變化，第一級(jí)陡坡中段平均流速11.50 m/s，流速分布較為均勻，第一級(jí)陡坡末端樁號(hào)0+567.09 平均流速11.42 m/s，最大流速11.98 m/s。第二級(jí)陡坡起點(diǎn)樁號(hào)0+567.09 平均流速8.73 m/s，最大流速10.70 m/s，兩側(cè)流速分布不均勻，第二級(jí)陡坡中段平均流速10.11 m/s，最大流速11.04 m/s，左右流速分布較為均勻。

第二級(jí)陡坡段末端即消力池起點(diǎn)（樁號(hào)0+664.29）平均流速為10.88 m/s，最大流速為11.88 m/s出現(xiàn)在右側(cè)，左側(cè)流速偏小；消力池末端（樁號(hào)0+684.29）平均流速2.47 m/s，最大流速3.95 m/s 位于中間底部。

在陡坡段（樁號(hào)0+465.09）上游，流速逐漸增大，從2.99 m/s 增加為5.79 m/s，而在第一級(jí)陡坡段，流速從5.79 m/s 增加為11.42 m/s，第二級(jí)陡坡段，流速從8.73 m/s 增加為10.88 m/s，從整個(gè)陡坡段分析，流速增加不多，消能效率較高。

在方案二中，上游段（樁號(hào)0+296.41 至0+465.09），流速情況與方案一相同。樁號(hào)0+465.09 平均流速5.43 m/s，最大流速5.95 m/s 出現(xiàn)在左側(cè)，右側(cè)流速偏低。

陡坡段水面下降，流速較上游段有所增大，但因?yàn)槭芘_(tái)階消能作用，陡坡段流速并非逐漸增大，而是隨臺(tái)階消能情況而相應(yīng)變化，第一級(jí)陡坡中段平均流速11.17 m/s，流速分布較為均勻，第一級(jí)陡坡末端樁號(hào)0+567.09 平均流速9.91 m/s，最大流速10.20 m/s。第二級(jí)陡坡起點(diǎn)樁號(hào)0+567.09 平均流速9.49 m/s，最大流速9.87 m/s，兩側(cè)流速分布較為均勻，第二級(jí)陡坡中段平均流速10.71 m/s，最大流速11.31 m/s，位于右側(cè)，左側(cè)流速較小。

第二級(jí)陡坡段末端即消力池起點(diǎn)（樁號(hào)0+664.29）平均流速為11.62 m/s，最大流速為12.78 m/s出現(xiàn)在右側(cè)，左側(cè)流速偏?。幌Τ啬┒耍短?hào)0+684.29）平均流速2.77 m/s，最大流速3.47 m/s 位于右側(cè)。

5 結(jié)論

1）試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水流進(jìn)入臺(tái)階式陡坡后，水體開始逐步摻氣，第一級(jí)陡坡前半段摻氣效果不明顯，水體無漩渦效果，當(dāng)水體進(jìn)入后半段后，隨著勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，水流流速增加，摻氣效果逐漸明顯，在臺(tái)階后水體旋滾也開始充分起來，消能效果提高，在設(shè)計(jì)流量Q=80.2 m3/s 下，兩種方案的消能效果均比較好，消力池躍前斷面流速均不超過12 m/s。

2）消能效率受很多因素影響，如單寬流量、水流流態(tài)，坡度及臺(tái)階高度和長(zhǎng)度、臺(tái)階個(gè)數(shù)及渠道斷面尺寸。在本試驗(yàn)中，兩個(gè)方案其單寬流量、坡度及渠道斷面尺寸均保持不變，只有臺(tái)階高度和長(zhǎng)度及臺(tái)階個(gè)數(shù)發(fā)生變化，通過試驗(yàn)對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行比較，第一方案（臺(tái)階長(zhǎng)3 m，高1 m）相對(duì)消能效率更高，但在陡坡上水流波動(dòng)更大，水流流態(tài)也更為復(fù)雜，臺(tái)階表面受到的壓力變化也更大，因此需要綜合考慮施工、安全等因素選擇合適的設(shè)計(jì)方案。

3）在兩個(gè)方案中，兩級(jí)陡坡前半段水位均接近邊墻高度，因?yàn)槎钙露巫湓谕粱?，從安全角度考慮應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

4）試驗(yàn)表明，水躍基本上發(fā)生在消力池前端，消力池體型尺寸可滿足設(shè)計(jì)要求，但局部位置水位超過原邊墻設(shè)計(jì)高度，可根據(jù)試驗(yàn)成果對(duì)邊墻高度進(jìn)行調(diào)整。