某山區(qū)溢洪道流態(tài)優(yōu)化和消能試驗(yàn)研究

胡良明　胡志鵬　謝學(xué)東　郭新蕾　王濤

摘 要：某山地溢洪道入流角度過(guò)大，且水流受圓弧段彎道離心力的影響，溢洪道外側(cè)水體壅高明顯，嚴(yán)重影響下游的銜接消能。在不改變?cè)矫娌贾们闆r下，采用物理模型試驗(yàn)方法對(duì)溢洪道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，上游入水口及彎道銜接段設(shè)導(dǎo)流墩，下游陡槽段采用臺(tái)階式溢洪道的防沖消能體形，并對(duì)水流流態(tài)及消能率等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：上游進(jìn)口段水流分布均勻，銜接段水面線(xiàn)明顯降低，臺(tái)階段呈現(xiàn)穩(wěn)定的滑行流。實(shí)測(cè)臺(tái)階式溢洪道消能效率達(dá)到了87%，消能效果良好，流態(tài)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：物理模型試驗(yàn);臺(tái)階式溢洪道;水流流態(tài);消能率;導(dǎo)流墩

中圖分類(lèi)號(hào)：TV131.61?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.017

Experimental Study on Flow Regime Optimization and Energy Dissipation of a

Flood Spillaway in a Mountainous Area

HU Liangming1， HU Zhipeng1， XIE Xuedong2， GUO Xinlei3， WANG Tao3

（1.School of Water Science and Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China;

2.Ningxia and Inner Mongolia Bureau of Hydrology and Water Resources， YRCC， Baotou 014030， China;

3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China）

Abstract：The inflow angle of a mountain spillway is too large and the water flow is affected by the centrifugal force of the curved section of the circular arc. The outside water body of the spillway is obviously high， which seriously affects the downstream energy dissipation. The physical model test method was used to optimize the design of the flood spillway without changing the original plane layout. The upstream water inlet and the curve connecting section were provided with diversion piers and the downstream steep trough section adopted the anti-scour energy dissipation type of the stepped spillway. Then it carried out experimental research on the flow state and energy dissipation rate of the water flow. The results show that the water flow in the upstream inlet section is evenly distributed， the water surface line in the connecting section is obviously reduced and the stage shows a stable taxiing flow. The measured energy efficiency of the stepped spillway reaches 87%， the energy dissipation effect is good， the flow state is stable and it has reference value for similar practical projects.

Key words： physical model test; stepped spillway; water flow regime; energy dissipation ratio; diversion pier

某山地溢洪道位于固體廢棄物處置場(chǎng)場(chǎng)區(qū)邊緣，是匯集場(chǎng)外山坡雨水，并將其排至附近下游河道的泄洪消能工程。在盡量不改變?cè)绾榈榔矫婢€(xiàn)路布置的基礎(chǔ)上，分析東側(cè)溢洪道（轉(zhuǎn)彎、陡槽段等）消能設(shè)施的適用性，通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)提出安全、經(jīng)濟(jì)且合理可行的消能方案。該工程的山地溢洪道分為上游直段明渠段、彎道轉(zhuǎn)彎段、漸變收縮過(guò)渡段及下游陡槽段四部分。上游直段明渠底寬10 m，在該段設(shè)一進(jìn)水口，下面緊接內(nèi)側(cè)半徑為65 m的圓弧，寬度為10 m的彎道，彎道弧長(zhǎng)約為26 m。下游陡槽段長(zhǎng)度約為139 m，落差33 m，坡度較陡，彎道段與下游陡槽段之間通過(guò)漸變段連接。

該工程存在的主要問(wèn)題是：上游入流水流調(diào)整角度過(guò)大，收縮嚴(yán)重，水流很難保持平順，加上圓弧離心力對(duì)水流的影響，銜接處外側(cè)水體壅高十分明顯，非常不利于下游的銜接消能。而且下游陡槽狹窄，原設(shè)計(jì)方案為底寬僅1 m的梯形渠道，上游因轉(zhuǎn)彎角度過(guò)大而產(chǎn)生的不均勻水體會(huì)搖擺向下，導(dǎo)致陡槽段流速分布嚴(yán)重不均，加上原有溢洪道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)存在一定問(wèn)題，在消能防沖不到位的情況下，沖刷破壞嚴(yán)重，局部甚至已出現(xiàn)沖毀的情況。因此，為了改善溢洪道內(nèi)水流流態(tài)，對(duì)上游來(lái)洪進(jìn)行充分消能，筆者在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上對(duì)該溢洪道進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，依據(jù)有關(guān)規(guī)范、規(guī)程[1-2]要求，建立了水工物理模型，模擬設(shè)計(jì)方案下的水力特性、水力要素，并在千年一遇洪水流量（20 m3/s）的工況下開(kāi)展了方案優(yōu)化研究，優(yōu)化后的模型水流流態(tài)穩(wěn)定，下游陡槽段消能效果良好。

1 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與成果

1.1 物理模型初步設(shè)計(jì)方案

臺(tái)階式溢洪道作為一種新的消能設(shè)施在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[3-5]。臺(tái)階式溢洪道具有消能效率高、工程布置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能將大部分能量“化整為零”[6]地消耗掉，其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益往往是巨大的[7]。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是在溢洪道下游段布置多級(jí)臺(tái)階式溢洪道，其主要參數(shù)有：臺(tái)階的高度及寬度，泄槽邊墻的高度。

（1）臺(tái)階高度和寬度的確定。該工程溢洪道設(shè)計(jì)最大流量為20 m3/s，通過(guò)過(guò)流能力計(jì)算和水面線(xiàn)定性分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形和地質(zhì)特點(diǎn)，下游調(diào)整后的底寬為3.8 m，此時(shí)臨界水深hk約為1.4 m，正常水深h0約為0.35 m，滿(mǎn)足過(guò)流能力要求。根據(jù)平面布置圖，下游陡槽段長(zhǎng)度約為139 m，落差33 m，即平均坡比為33/139，設(shè)計(jì)時(shí)泄槽的傾斜角度基本與山體坡角保持一致。因此，初步設(shè)計(jì)臺(tái)階溢洪道寬度為3.8 m，單個(gè)臺(tái)階高1 m、寬4.2 m，總臺(tái)階個(gè)數(shù)為33個(gè)。在此條件下，小流量時(shí)臺(tái)階區(qū)內(nèi)可能形成跌流水舌[8]，在跌流區(qū)產(chǎn)生完全水躍或者不完全水躍，大流量時(shí)臺(tái)階內(nèi)可能形成滑行水流[9-10]。

（2）下游泄槽邊墻高度確定。臺(tái)階式溢洪道上的水流自摻氣過(guò)程與光滑溢洪道相似，可分為非摻氣區(qū)、摻氣發(fā)展區(qū)和摻氣充分發(fā)展區(qū)，即臺(tái)階上的水流將首先經(jīng)過(guò)非摻氣區(qū)，然后從初始摻氣點(diǎn)開(kāi)始逐漸摻氣，最終達(dá)到穩(wěn)定[11-12]。初始摻氣點(diǎn)一般認(rèn)為是紊流邊界層發(fā)展到自由水流表面時(shí)的位置。根據(jù)Matos等[13-16]的研究成果，初始摻氣點(diǎn)的計(jì)算公式（適用于臺(tái)階坡度θ滿(mǎn)足6.8°≤θ≤59°）為

式中：Li為從臺(tái)階起點(diǎn)到初始摻氣點(diǎn)的長(zhǎng)度;k為臺(tái)階粗糙高度;Fr為臺(tái)階粗糙弗勞德數(shù);h為臺(tái)階高度;q為溢洪道流量;g為重力加速度，取9.8 m/s2。

田嘉寧等[17-19]根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的初始摻氣點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)公式為

Lik=8.185Fr0.699 3（4）

目前被設(shè)計(jì)者廣泛接受的邊墻高度的確定方式是以摻氣濃度達(dá)到90%的水深為依據(jù)。Bieri M等[20]給出了摻氣點(diǎn)水深的經(jīng)驗(yàn)公式：

Y90k=0.58Fr0.6cos θ（5）

式中：Y90為摻氣濃度為90%處的水深。

邊墻的高度為水深乘以一個(gè)安全系數(shù)，安全系數(shù)一般為1.5～2.0[21]。

根據(jù)上述理論和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到Li=21.1 m、Y90=0.96 m，取邊墻高為1.5 m。

1.2 物理模型制作

陡槽段物理模型設(shè)計(jì)依據(jù)水力相似原理，對(duì)于自由表面水流，當(dāng)水流處于紊流阻力平方區(qū)，即雷諾數(shù)大于106時(shí)，模型和原型滿(mǎn)足幾何相似和重力相似。模型擬采用1∶20的比尺，長(zhǎng)度比尺為λL，其他相關(guān)比尺如下：流速比尺λV=λ1/2L=4.47，流量比尺λQ=λ5/2L=1 788.85，糙率比尺λn=λ5/2L=1.648，時(shí)間比尺λT=λ1/2L=4.47，壓力比尺λF=λ3L=8 000。

陡槽段原型為混凝土襯砌，其糙率一般為0.013～0.015[22]，相應(yīng)地模型流道糙率為0.008～0.009，采用一級(jí)透明有機(jī)玻璃（糙率約為0.008 5）進(jìn)行模型加工制作，換算為原型糙率為0.013 2，可基本滿(mǎn)足糙率相似要求，同時(shí)便于觀(guān)測(cè)模型中的水流流態(tài)。按照1∶20比例尺制作模型，進(jìn)水口1、進(jìn)水口2和進(jìn)水口3分別連接到實(shí)驗(yàn)室的水箱，供水管道的水流經(jīng)過(guò)水箱后形成平穩(wěn)水流流入溢洪道中。

1.3 初設(shè)方案結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的合理性，對(duì)溢洪道千年一遇洪水流量為20 m3/s工況進(jìn)行試驗(yàn)，3個(gè)進(jìn)水口流量分配見(jiàn)表1。

通過(guò)3個(gè)進(jìn)水口入流，溢洪道流量達(dá)到20 m3/s，水流經(jīng)上游急流段到中間漸變段，在漸變段中間形成水躍，之后下泄入臺(tái)階泄洪道，水流流態(tài)見(jiàn)圖1～圖4。

由圖1～圖4可以看出，初設(shè)方案上游段采用圓弧銜接以及下游陡槽段采用臺(tái)階式溢洪道的消能體形基本是合適的，過(guò)流能力滿(mǎn)足要求。初設(shè)方案臺(tái)階段初始摻氣點(diǎn)發(fā)生在第6級(jí)臺(tái)階處，與計(jì)算結(jié)果一致。經(jīng)過(guò)了摻氣發(fā)展區(qū)后，水流摻氣較充分，實(shí)測(cè)流速最大為8.06 m/s，充分摻氣后流速趨于穩(wěn)定，為7.5 m/s，臺(tái)階上水流流態(tài)接近滑行流。

2 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究

根據(jù)溢洪道初步設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初設(shè)方案存在如下問(wèn)題：

（1）2#和3#進(jìn)水口跟主流方向角度較大，明渠內(nèi)水流分布不均勻，尤其2#進(jìn)水口水流對(duì)對(duì)岸沖刷明顯，導(dǎo)致水位壅高超過(guò)現(xiàn)有溢洪道邊墻高度。

（2）圓弧段受離心力作用，水流偏移明顯，流速分布嚴(yán)重不均，水躍引起水流陣發(fā)性壅高，局部接近或超過(guò)邊墻高度。

（3）臺(tái)階段消能率雖然較高，但臺(tái)階水平方向長(zhǎng)度較大，導(dǎo)致水流呈現(xiàn)跌落滑行流狀態(tài)，一方面水流沖擊臺(tái)階底板，另一方面出現(xiàn)了比較明顯的水翅現(xiàn)象。

因此，針對(duì)以上問(wèn)題對(duì)初設(shè)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

2.1 溢洪道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

通過(guò)多種方案的對(duì)比，最終對(duì)初設(shè)方案進(jìn)行了如下修改和優(yōu)化：

（1）下游臺(tái)階段臺(tái)階由33個(gè)增加到66個(gè)，即臺(tái)階高度由1 m減小到0.5 m，臺(tái)階寬度由4.2 m變成2.1 m，見(jiàn)圖5。圖5 臺(tái)階段優(yōu)化后尺寸

（2）在上游明渠段新加了3個(gè)導(dǎo)流墩，其平面布置見(jiàn)圖6，實(shí)物位置見(jiàn)圖7、圖8。通過(guò)在2#和3#進(jìn)水口設(shè)置1#導(dǎo)流墩和2#導(dǎo)流墩，當(dāng)2#和3#進(jìn)口橫向流進(jìn)水流后，保證水流盡量在明渠中分布均勻，減少水流對(duì)左岸河床的沖刷。3#導(dǎo)流墩設(shè)置在過(guò)渡段的中間，導(dǎo)流墩設(shè)計(jì)右岸高、左岸低的結(jié)構(gòu)，調(diào)整因離心力作用而使右岸水面偏高的狀態(tài)，使水流下泄在臺(tái)階時(shí)均勻分布。

2.2 溢洪道優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 溢洪道水流流態(tài)

經(jīng)過(guò)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終水流流態(tài)明顯得到改善，臺(tái)階段水流在千年一遇（流量20 m3/s）工況下呈現(xiàn)順直平滑的滑行流態(tài)，且無(wú)水翅現(xiàn)象發(fā)生。各段流態(tài)見(jiàn)圖9～圖12。

圖9 2#進(jìn)水口和3#進(jìn)水口附近流態(tài)

進(jìn)口段附近：由圖9可知，增加了1#導(dǎo)流墩和2#導(dǎo)流墩后，明渠內(nèi)水流分布明顯均勻，尤其2#進(jìn)水口水流對(duì)對(duì)岸沖刷明顯減弱，水面起伏變緩，渠中不存在折沖水流，受圓弧段離心力影響，右側(cè)水深略高于左側(cè)水深。

漸變段：安裝了1#和2#導(dǎo)流墩之后，3#導(dǎo)流墩安裝前后右側(cè)水面線(xiàn)比較如圖11所示。其中3#導(dǎo)流墩未裝之前，水流向右側(cè)偏流嚴(yán)重，最高點(diǎn)超過(guò)現(xiàn)存邊墻0.8 m，安裝3#導(dǎo)流墩后，水面線(xiàn)變得更加平緩，水深明顯變淺并且控制在現(xiàn)存邊墻之下。左右兩側(cè)水面高差減小，臺(tái)階進(jìn)口兩側(cè)水流基本均勻。

臺(tái)階段：臺(tái)階高度、長(zhǎng)度降低后，水面線(xiàn)光滑平順，水翅現(xiàn)象消失，如圖12所示。經(jīng)實(shí)測(cè)，臺(tái)階段除未摻氣的第一、第二臺(tái)階水深為1.06 m和0.84 m外（該段邊墻高度設(shè)計(jì)值為2.0 m），其余臺(tái)階水深均未超過(guò)0.80 m，而摻氣段設(shè)計(jì)邊墻高度為1.5 m，安全超高88%以上。因此，考慮到縮尺效應(yīng)對(duì)摻氣水流的影響，實(shí)際水深在測(cè)量水深基礎(chǔ)上增加25%的系數(shù)，該山地溢洪道臺(tái)階段設(shè)計(jì)滿(mǎn)足安全性要求。

2.2.2 溢洪道消能率分析

為計(jì)算臺(tái)階式溢洪道段的消能率，可對(duì)臺(tái)階式溢洪道上游和下游的躍前斷面水頭應(yīng)用伯努利方程進(jìn)行檢驗(yàn)：

其中

式中：Hmax為臺(tái)階起點(diǎn)上游斷面的總水頭;H1為躍前斷面水頭;ΔH1為躍前斷面水頭損失;Hd為臺(tái)階溢洪道總高度;yc為溢洪道進(jìn)口前的臨界水深;α為動(dòng)能修正系數(shù);Q為上游躍前斷面流量; A為上游躍前斷面濕周;q為下游躍前斷面單寬流量。

溢洪道進(jìn)口前的臨界水深為

式中：y1為躍前斷面非摻氣水深。

Chanson等[14-15]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到臺(tái)階式溢洪道跌落水流的消能率計(jì)算公式：

經(jīng)實(shí)測(cè)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的臺(tái)階進(jìn)口斷面中間處水深為1.32 m、流速為5.04 m/s，臺(tái)階出口斷面水深0.8 m、流速為8.63 m/s，兩斷面落差Hd=31 m，于是yc=1.37 m、H1=4.6 m、η=0.87。采用Chanson等[14-15]的消能率計(jì)算公式得η=0.916 6。兩種算法結(jié)果相近，該方案消能效果較好。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)該山地溢洪道工程的初步設(shè)計(jì)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口段水流方向角度較大，溢洪道內(nèi)水流流態(tài)分布嚴(yán)重不均，且下游臺(tái)階段有水翅現(xiàn)象發(fā)生，有水滴濺出邊墻，為了改善溢洪道內(nèi)水流流態(tài)，對(duì)溢洪道結(jié)構(gòu)體形進(jìn)行了一系列優(yōu)化試驗(yàn)研究，得到如下主要結(jié)論：

（1）增加1#導(dǎo)流墩和2#導(dǎo)流墩后，進(jìn)水口處水流流態(tài)明顯改善，水面起伏較緩，折沖水流消失，大大減輕了對(duì)邊墻的沖刷。

（2）增加3#導(dǎo)流墩后，臺(tái)階進(jìn)口段附近水面線(xiàn)最大降低1.0 m，由超過(guò)原邊墻線(xiàn)0.8 m變?yōu)闈u變段水面線(xiàn)均在現(xiàn)存邊墻線(xiàn)以下，兩邊水流分布更趨于均勻。

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)后臺(tái)階段水流均勻下泄，形成了光滑流動(dòng)的滑行流，而在初步設(shè)計(jì)方案中，到第6個(gè)臺(tái)階兩側(cè)下泄水流才開(kāi)始變得均勻。臺(tái)階段消能率為87%，流態(tài)明顯改善，每級(jí)臺(tái)階內(nèi)形成的穩(wěn)定旋渦對(duì)滑行水流起到頂托作用，使底板免受水流沖擊，且初設(shè)方案中的水翅現(xiàn)象消失。設(shè)計(jì)的溢洪道邊墻高度確保了過(guò)流能力同時(shí)有合理的超高。

基于物理模型試驗(yàn)，在千年一遇洪水的設(shè)計(jì)工況下，對(duì)溢洪道結(jié)構(gòu)體形進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化后溢洪道上游明渠、下游陡槽過(guò)流均勻，銜接良好，臺(tái)階式溢洪道消能充分，達(dá)到了優(yōu)化的目的，為其他工程提供了參考和借鑒。

采用導(dǎo)流墩及臺(tái)階式溢洪道的聯(lián)合消能防沖體形，穩(wěn)定了溢洪道內(nèi)的水流流態(tài)，消除了水翅現(xiàn)象，且消能效果十分顯著，減弱了水流對(duì)溢洪道的沖刷，提高了結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

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【責(zé)任編輯 張華巖】

收稿日期：2019-05-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2017YFC0405103）;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51679262）

作者簡(jiǎn)介：胡良明（1963—），男，河南光山人，教授，博士，研究方向?yàn)樗ば虏牧吓c結(jié)構(gòu)性能、水工結(jié)構(gòu)抗震分析等

通信作者：王濤（1975—），女，河南南陽(yáng)人，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)樗にW(xué)

E-mail：taozy163@163.com