趙津霆

摘要：溢洪道是保證水庫泄洪能力的重要設(shè)施，因其泄下的高速水流具有很強(qiáng)的沖擊力，所以其消能問題備受關(guān)注。介紹目前工程中常用的幾種消能方法，闡述利用水工模型進(jìn)行試驗(yàn)研究的理論基礎(chǔ)，以期為溢洪道消能問題的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：溢洪道；泄流；消能；模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TV653 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）04-0053-03

改革開放以來，我國不僅在經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面成績卓著，更在水利工程方面進(jìn)行了大刀闊斧的改革。水電站、中小型水庫、城市人工河道、橡膠壩、攔河閘等已經(jīng)成為一些城市中重要的水工建筑物，其不僅承擔(dān)供水及防洪任務(wù)，還發(fā)揮了一定的美化城市作用。溢洪道是一種高效的泄水建筑物，其泄洪能力強(qiáng)，泄下的高速水流具有很強(qiáng)的沖擊力，曾因此發(fā)生過很多水工事故。經(jīng)相關(guān)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，消能工程和運(yùn)行管理問題占事故發(fā)生的1/4；泄中的不對(duì)稱入流對(duì)消能建筑物造成了直接破壞。

溢洪道消能研究屬于水工水力學(xué)領(lǐng)域，各種泄水建筑物消能研究一直是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。水工建筑物消能的目的是通過水壩壩體的孔口、溢洪道等建筑物，將大量的洪水安全地宣泄到下游，減少對(duì)下游的沖擊力，保障庫區(qū)的安全。消能問題如果處理不善，其下泄的水流會(huì)對(duì)下游河床造成嚴(yán)重的破壞，并影響整個(gè)水利樞紐中其他建筑物的安全運(yùn)行，嚴(yán)重的還會(huì)對(duì)大壩的安全造成影響。泄洪消能的重要性可想而知。溢洪道對(duì)水工建筑消能發(fā)揮著重要的作用，無論是大型水庫還是一些中小型水庫，在高水頭和低水頭的情況下，溢洪道都能較好地減少泄水對(duì)下游的沖擊。根據(jù)目前我國已建的水利樞紐的統(tǒng)計(jì)，消能形式可以概括為挑流消能、底流消能、臺(tái)階式壩面消能等。

一般來說，溢洪道多為開敞式結(jié)構(gòu)，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、消能防沖段和水渠段等幾部分組成。溢洪道的布置以岸邊式側(cè)槽溢洪道為主。在實(shí)際工程中，溢洪道會(huì)因地質(zhì)、結(jié)構(gòu)或充分利用地形在其平面上有一定角度的扭轉(zhuǎn)，以曲線式的彎道為主，并在整個(gè)溢洪道中出現(xiàn)一定的收縮和擴(kuò)散。

1 溢洪道消能的研究進(jìn)展

挑流消能在水利工程中已有70 a的歷史，其在高壩工程中應(yīng)用非常廣泛。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在世界上已建成的泄洪建筑物中，壩高大于70 m且采用挑流消能方式的，國內(nèi)占97.7%，國外占74.4%。挑流消能的效果主要受下游水深河床地質(zhì)條件、上下游水位差、挑流鼻坎的幾何尺寸、消能段的單寬流量等方面影響。挑流消能應(yīng)根據(jù)一定的地質(zhì)和水文條件進(jìn)行優(yōu)化，尤其是其形式和尺寸，通常以水工模型試驗(yàn)作為優(yōu)化的基礎(chǔ)。

底流消能作為一種常規(guī)的消能形式，廣泛應(yīng)用于水工建筑物，其原理是通過水躍產(chǎn)生的表面旋滾和強(qiáng)烈的紊動(dòng)來降低流速，以達(dá)到消能的目的。底流消能具有入池流態(tài)穩(wěn)定、消能效率高、尾水波動(dòng)小、泄洪霧化影響小的優(yōu)點(diǎn)，但在高水頭、大流量泄洪樞紐采用這種消能工時(shí)，消力池底板水流流速大，保護(hù)底板難度很大。為了克服底流消能的缺陷，有學(xué)者提出跌坎式底流消能工方案，并以水力學(xué)公式作為理論基礎(chǔ)，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。對(duì)于大單寬流量的水躍，可根據(jù)工程實(shí)際情況采用一級(jí)或多級(jí)消力池消能，以達(dá)到圓滿的消能效果。

臺(tái)階式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已有3 000 a的歷史，其主要功能是河流防沙和降低渠道落差。RCC臺(tái)階式溢洪道具有良好的消能效果，位于美國的上靜水壩首次采用了這種方式，而國內(nèi)對(duì)這種消能方式還未進(jìn)行廣泛應(yīng)用，對(duì)這種技術(shù)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)還沒有進(jìn)行全面的研究。但隨著筑壩技術(shù)的發(fā)展，這種消能方式將會(huì)引起重視，并進(jìn)一步得到發(fā)展

孔板消能是一種新型的消能方式，目前關(guān)于這種技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段，許多技術(shù)問題尚待開發(fā)。其研究方式以物理模型為主，但沒有強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)模型作為支撐，在這方面還需進(jìn)一步加強(qiáng)?？装逑苤饕繅毫翟斐傻拿}動(dòng)和水流之間的剪切力。水流通過板孔時(shí)，由于流線變化在板孔下游產(chǎn)生漩渦，使水流內(nèi)部發(fā)生撞擊，以達(dá)到消能的目的。經(jīng)試驗(yàn)觀察，孔板消能的流態(tài)比較穩(wěn)定。

2 溢洪道的水力特性

溢洪道的水力特性主要包括過流能力、水面線、流速分布和堰面壓力。通過長期的理論和試驗(yàn)研究，得到了一些經(jīng)驗(yàn)公式、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和水力特性的計(jì)算方法。但溢洪道的邊界復(fù)雜多變，因此相關(guān)規(guī)范中規(guī)定大、中型水利工程的溢洪道必須做模型試驗(yàn)來驗(yàn)證其布置及水力設(shè)計(jì)的合理性。

2.1 過流能力特性

設(shè)計(jì)水位下的泄量不小于設(shè)計(jì)下泄流量，則認(rèn)為滿足過流能力要求；或者設(shè)計(jì)下泄流量下的水位不高于設(shè)計(jì)水位，也認(rèn)為滿足泄流能力的要求。溢洪道利用控制段的閘門控制流量，所以控制段決定了過流能力。為了進(jìn)一步提高過流能力，可采用折線堰和實(shí)用堰方法。過流能力需要看堰流系數(shù)，以上兩種方法可將堰流系數(shù)提高到0.42。溢洪道的下泄能力也是一項(xiàng)重要指標(biāo)，下泄流量主要由閘門控制，泄流量可按照公式進(jìn)行計(jì)算。

2.2 水面線特性

好的消能工不僅要滿足泄流能力，還要求泄流穩(wěn)定。不良的泄流狀態(tài)會(huì)對(duì)溢洪道及附屬建筑物產(chǎn)生不利影響，所以水面線也是溢洪道模型試驗(yàn)的重要內(nèi)容。實(shí)際工程中常以堰下接槽過渡水流來保證泄流的穩(wěn)定。利用公式計(jì)算水面線，確定邊墻的高度，在高速水流中還應(yīng)考慮摻氣水深的影響。

2.3 流速分布特性

溢洪道堰面流速大或流速不均會(huì)對(duì)堰面造成沖刷、震動(dòng)和空蝕，長此以往對(duì)堰面造成破壞，導(dǎo)致溢洪道的安全隱患。物理模型試驗(yàn)測(cè)流速困難，所以通常采用數(shù)學(xué)模型，量取某橫斷面或縱斷面的流速資料，分析其流速分布。

2.4 堰面壓力

堰面壓力不出現(xiàn)負(fù)壓即滿足設(shè)計(jì)要求。物模試驗(yàn)中堰面壓力的測(cè)量采用測(cè)壓管來進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)數(shù)有限，不能良好地反映壓力分布。而數(shù)模試驗(yàn)中堰面壓力情況則可以一覽無余。

3 水工模型

水工模型是將理論與實(shí)踐相關(guān)聯(lián)的媒介。利用模型仿制實(shí)物，根據(jù)一定的準(zhǔn)則，將水工建筑物制成模型，通過試驗(yàn)重現(xiàn)實(shí)際工程所能出現(xiàn)的情況，評(píng)估建筑物所存在的安全隱患，論證其是否具有合理性

3.1 水工模型試驗(yàn)的目的

驗(yàn)證水庫溢洪道的水力要素設(shè)計(jì)計(jì)算值，進(jìn)行流態(tài)觀測(cè)，研究各種水力現(xiàn)象及泄流設(shè)施對(duì)溢洪道布置的影響，將其與人工水力計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證，確保工程的運(yùn)行安全。

3.2 模型設(shè)計(jì)原理

水工模型試驗(yàn)是根據(jù)水流的力學(xué)規(guī)律，通過復(fù)制與原型相似的邊界條件和動(dòng)力學(xué)條件，建立起來的較原型小的模型。要使模型試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫啬M原型，必須滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似這三方面的相似特征。

3.3 水工模型設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)要求，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，選幾何比尺為1∶50的正態(tài)定床清水模型，相應(yīng)的其他物理量比尺為：

流速比尺λv=λL0.5

流量比尺λQ=λL2.5

時(shí)間比尺λt=λL0.5

糙率比尺λn=λL1/6

式中：λL為長度比尺；λv為流速比尺；λQ為流量比尺；λt為時(shí)間比尺；λn為糙率比尺。

4 結(jié)語

關(guān)于溢洪道的消能問題，眾多學(xué)者都提出了自己的研究方案。在實(shí)際工程中選擇時(shí)，除了需要考慮工程的實(shí)際情況、水工建筑物的等級(jí)以及周圍的地質(zhì)條件、氣候，還要根據(jù)不同消能方式所產(chǎn)生的問題進(jìn)行逐一論證，提出一種比較有利的方案。新的溢洪道消能方法還亟待開發(fā)，更多的消能方式應(yīng)該被挖掘出來并應(yīng)用到水利工程中去，為我國的水利事業(yè)助力。

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