劉桓辰

傳統(tǒng)消能方式一般采用挑流、水躍形成面流或消力池形成底流消能，并且整個溢流過程中，為了防止產(chǎn)生空蝕破壞，需要設(shè)置相應(yīng)的摻氣設(shè)施，使得設(shè)計及施工難度都大大增加。臺階式消能工在傳統(tǒng)消能方式之外，通過將陡坡段底部做成若干個尺寸相同的臺階，使水流變成摻氣，水深增大，從而達(dá)到降低水流流速，從而減少工程布置及設(shè)計施工難度。目前臺階式消能工在國內(nèi)外水庫工程已經(jīng)被大量采用。本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，對延安黃河引水工程新舍古倒虹溢流渠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到了減少了溢流渠末端流速并減少空蝕的目的。

1 工程概況

延安黃河引水工程位于延安市東北部，是以黃河和清澗河為取水水源的長距離引水工程。該工程共有3條輸水線路，主線路為黃延線。黃河取水口位于延川縣延水關(guān)鎮(zhèn)王家渠東南黃河右岸，清澗河取水口位于延川縣城北上灣大橋下游約50 m處清澗河左岸。引水線路共4條：黃延線從黃河右岸延水關(guān)二級站起，主要沿張家河、文安驛川、西溝、延河布置至延安東川水廠；子長線從新舍古五級站起，主要沿永坪川布置至子長工業(yè)園；延長線從黃延線甘谷驛分水點(diǎn)起，沿延河布置至楊家灣工業(yè)園；高清線從清澗低壩樞紐起，沿清澗河至高家灣水廠。工程年取水規(guī)模8977萬m3，工程設(shè)計水平年為2020年，水平年人口總規(guī)模70.36萬人。工程設(shè)計最高日取水量為36.29萬 m3/d。

文安驛川新舍古倒虹作為黃延線上五級站前的控制性工程，洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇設(shè)計，50年一遇洪水校核。采用單根DN10001.6 MPa的鋼管跨文安驛河，倒虹上游側(cè)為新舍古隧洞出口，下游側(cè)為新舍古五級站前池。倒虹設(shè)計流量為3.02 m3/s。

2 溢流渠的設(shè)計

受地形限制等因素影響，倒虹溢流堰采用正向溢流堰形式布置，即溢流堰布置于倒虹管線上方，與管線軸線一致。溢流堰采用寬頂堰設(shè)計，寬頂堰沿水流方向長0.6 m，上游與新舍古隧洞出口相連，下游接1∶1.2的陡槽至河道深泓點(diǎn)附近設(shè)消力池進(jìn)行消能。整個寬頂堰段，陡槽段及消力池段沿河道水流方向長度均為3.4m。文安驛河對應(yīng)河道深泓點(diǎn)高程787.75m。根據(jù)整個管線段的水力計算成果，溢流堰頂高程801.60m。

原設(shè)計采用寬頂堰+陡槽+消力池的方式。根據(jù)對寬頂堰過流能力的計算，在滿足過流能力的條件下，求得寬頂堰末端的水深，并與臨街水深進(jìn)行對比，最終取合理值作為陡槽段起始斷面計算水深。根據(jù)設(shè)計成果，陡槽段計算起始斷面水深h0=0.44 m，v=2.31 m/s。

根據(jù)上述計算成果推算陡槽段水力要素。陡槽段計算主要目的是推求陡槽末端的水流流速以及對應(yīng)的躍前水深，以此來作為下游消力池的設(shè)計計算依據(jù)。根據(jù)布置情況，整個陡槽段長14.88 m，按照能量方程分段求解水力要素[1]：

式中，Δl為分段長度；h1、h2分別為始、末斷面水深；v1、v2分別對始、末斷面流速；i為陡槽底坡，i=tgθ。計算成果見表1。

根據(jù)計算成果可以得知，陡槽段水流平均流速在逐漸增大，對應(yīng)水深逐漸減小。在陡槽段末段，平均流速達(dá)到13.29m/s，已經(jīng)接近高速水流的范圍。對于原設(shè)計方案，在陡槽末點(diǎn)不僅需要設(shè)計相關(guān)的摻氣設(shè)施，防止產(chǎn)生空化空蝕，進(jìn)而對整個工程產(chǎn)生破壞性的影響，還要在施工過程中嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，表面保持光滑平順，來盡量減少負(fù)壓。

表1 陡槽段水力計算成果表

原設(shè)計雖然充分考慮地形限制等因素，設(shè)計為寬頂堰+陡槽+消力池聯(lián)合溢流消能，但是并未充分考慮陡槽末端的高速水流問題。由于原設(shè)計方案存在高速水流等不利因素，導(dǎo)致整個溢流段的水流流態(tài)嚴(yán)重變差，在設(shè)計使用年限內(nèi)容易對整個倒虹工程造成破壞，從而影響到整個工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在維持現(xiàn)有地形條件的情況下，對原設(shè)計的優(yōu)化就顯得十分有必要。

3 臺階式消能工的優(yōu)化設(shè)計

3.1 臺階式消能工的消能特性

臺階式消能的方式與傳統(tǒng)的挑流、面流與底流消能均有所不同。臺階式消能工是在下泄陡槽中以臺階來代替斜坡，相當(dāng)于表面溢流渠表面粗糙度的增加，使下泄水流在各個臺階上發(fā)生劇烈旋滾，產(chǎn)生充分的摻氣水流，導(dǎo)致下泄水流紊動增大，消耗部分水流能量，改善陡槽內(nèi)水流條件，進(jìn)而達(dá)到簡化消能措施的目的。臺階式消能工既不同于單純的陡坡，也與多級跌水消能不同。單個臺階尺寸過小，水流流經(jīng)時在臺階附近無法進(jìn)行充分旋滾，使水流進(jìn)行有效的摻氣，達(dá)不到消能效果；單個臺階尺寸過大，水流流經(jīng)時流速降低，導(dǎo)致水流完全貼壁流過，同樣無法形成摻氣水流，其消能效果與陡坎無異。

3.2 對原設(shè)計方案的優(yōu)化

針對上述設(shè)計存在的問題，考慮兩種方案對整個陡槽段進(jìn)行優(yōu)化：

方案1，維持寬頂堰體型不變，采用較緩坡比對陡槽段進(jìn)行優(yōu)化。該方案即將陡槽段坡比放緩為1∶2，這樣可以相應(yīng)減少陡槽段末端流速，并且減小消力池尺寸。

方案2，維持寬頂堰體型不變，采用臺階式消能工對陡槽段進(jìn)行優(yōu)化。該方案是維持陡槽段的1∶1.2坡比不變，對整個陡槽段底板增加臺階式消能工，并減小或者取消消力池。

上述兩個方案均可以實現(xiàn)減小陡槽段流速的效果，并且在工程實際中也切實可行。但是，整個倒虹跨文安驛川河道，采用方案1時，溢流段與周圍地形銜接不平順，凸起過大，且減小河道行洪斷面，造成局部雍水，經(jīng)計算，將坡比由1∶1.2放緩為1∶2之后，整個河道的行洪斷面由原來的41.6m被縮窄至35.7 m，河道斷面過水面積減小了14.2%，從而導(dǎo)致倒虹斷面設(shè)計洪水位抬升0.36m，這使得周圍相關(guān)建筑物的設(shè)防高程也會隨之抬高，從而增加工程周期增大工程投資。方案1雖然對于倒虹本身來說，工程措施是可行的，但是對于整個新舍古隧洞出口附近的建筑物影響過大，波及面太廣，從整個工程的角度來說，方案1是不可行的。方案2維持了陡槽段1∶1.2的坡比，整個溢流段與周圍地形銜接平順，沒有過大的凸起或凹陷，不會對束窄河道行洪斷面，并且方案2也不會對周圍其它建筑物的設(shè)計造成影響，不論從倒虹本身還是從整個工程來說，方案2都是一個可行的方案。

根據(jù)本工程倒虹的具體布置，考慮到施工方便等因素，結(jié)合原設(shè)計中陡槽段起點(diǎn)水深及流速大小，按照下式來確定臺階尺寸：

式中，Δ為臺階高度，m；T為臺階寬度，m；θ為水平夾角。陡槽段采用單個尺寸為Δ×T=0.6 m×0.5 m的臺階優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，在末端自由溢流的情況下，臺階式消能工末端流速與下泄流量關(guān)系如下[2]：

其中，V為末端流速，m/s；Δ為臺階高度，m；q為單寬流量，m3/s；P為陡槽總高度，m；E為陡槽末端水頭。按照本工程設(shè)計，經(jīng)計算，陡槽末點(diǎn)斷面流速V=4.06 m/s。

4 結(jié)論

通過上述優(yōu)設(shè)計，可以得知臺階式消能工在陡槽末端斷面流速大幅度降低，優(yōu)化后的末端斷面流速是原設(shè)計方案的30.3%。消能工的設(shè)計以消能率來進(jìn)行衡量，本文按照能量方程對優(yōu)化設(shè)計前后的兩種消能方式的消能率進(jìn)行計算。根據(jù)消能率的計算公式[3]：

其中，η為消能率，%；E1為起始斷面水頭，m；E2為末端斷面水頭，m。對于原設(shè)計方案，η=35.6%；對于優(yōu)化后方案，η=92.9%。

計算結(jié)果表明，在整個倒虹布置基本維持原設(shè)計不變的情況下，將陡槽段改為臺階式消能工，可大幅提高消能率。陡槽的末端流速由原設(shè)計的13.29 m/s降低至優(yōu)化后的4.06 m/s。通過對新舍古倒虹溢流段的優(yōu)化設(shè)計，可減少下游消力池尺寸，取消了相應(yīng)的防空蝕設(shè)計，在現(xiàn)有地形的約束下，簡化了溢流消能設(shè)計，同時也降低了工程投資，保證工程施工工期及工程質(zhì)量，使其能夠長期穩(wěn)定地發(fā)揮效益。

[1]SL 253-2000，溢洪道設(shè)計規(guī)范[S].

[2]畢程敏，付凱，哈建強(qiáng).臺階式消能方式的論述[J].實用技術(shù)，2013-10：40,47.

[3]田佳寧，大津巖夫，李建中，安田陽一.臺階式溢洪道各流況的消能特性[J].水利學(xué)報，2003-4：35-39.