楊占榮，雒天峰

(1.甘肅省疏勒河流域水資源局，甘肅 玉門 735211；2.甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

昌馬灌區(qū)總灌溉面積4.65萬hm2，是疏勒河流域三大灌區(qū)之一。灌區(qū)地勢(shì)南高北低，海拔高程南部2000m，北部1298m，相對(duì)高差100～700m，昌馬洪積扇戈壁礫石平原坡降為10‰～15‰，細(xì)土平原坡降3‰～5‰。昌馬總干渠是昌馬灌區(qū)的主要輸水渠道，總干渠渠首位于昌馬峽出山口以下6km處，全長(zhǎng)39.98km，設(shè)計(jì)流量30～65m3/s，渠道坡降為8‰左右。由于渠道比降較大，使得流速加大，且入渠泥沙含量增多、粒徑增大。受水流、泥沙的沖刷、磨損，自1958年始建至今，已經(jīng)過多次改建。2011年實(shí)施的改建工程，沿途建設(shè)陡坡51座，以減小高速水流、大粒徑砂礫石的撞擊、磨損對(duì)建筑物的破壞。但利用陡坡消能時(shí)，陡坡段連接上下游急流渠道時(shí)，陡坡段及下游渠道一定范圍內(nèi)的流速將超出渠道允許流速，此時(shí)需解決上游平順泄流和下游充分消能?，F(xiàn)今，主要通過底流消能和陡坡加糙，把大部分水流能量集中于下游消力池，高速水流在消力池中形成水躍，利用水躍翻滾區(qū)水流的激烈紊動(dòng)進(jìn)行消能。同時(shí)，在陡坡段和消力池內(nèi)增加糙條、消力墩、趾墩、T型尾墩、尾坎等一些輔助消能工來提高消能效率[1- 2]。但是，由于陡坡段和消力池內(nèi)所修建的消能設(shè)施在水流過程中會(huì)引起水流的旋滾，有時(shí)還會(huì)造成推移質(zhì)泥沙磨損消能設(shè)施，不僅消能效果不明顯，而且會(huì)危及消能設(shè)施的安全。為進(jìn)一步分析大比降輸水渠道陡坡消能效果，在昌馬渠道已改建、具有代表性的47#陡坡上對(duì)水流流速、流態(tài)、水躍、水深等進(jìn)行了原型觀測(cè)，分析消能、抗損效果，以便為大比降、高含沙、大粒徑輸水渠道的后期維護(hù)提供資料支撐。

1 陡坡設(shè)計(jì)情況

2011年昌馬總干渠改建過程中，對(duì)部分陡坡進(jìn)行了拆除重建，設(shè)計(jì)方案為：陡槽段在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行改建，縱坡為1∶5.3，并以5°～7°的單側(cè)擴(kuò)散角向外擴(kuò)散。陡槽底板厚為0.5m，下層為0.3m厚的現(xiàn)澆C20混凝土找平層，表層為0.2m厚的現(xiàn)澆C40硅粉混凝土。陡槽內(nèi)邊坡坡度1∶1，邊坡厚0.20～0.30m，側(cè)墻(邊坡)0.3m以下的部位現(xiàn)澆一層0.2m厚的C40硅粉混凝土，上部均為現(xiàn)澆C20混凝土。渠道與陡槽進(jìn)口之間設(shè)15m漸變收縮整流段，漸變段底板厚0.4m，下層為現(xiàn)澆C15混凝土，表層為0.2m厚的硅粉混凝土，側(cè)墻(邊坡)0.3m以下的部位現(xiàn)澆一層0.2m厚的C40硅粉混凝土，上部為現(xiàn)澆C15混凝土。陡坡下游設(shè)消能塘，消能塘底板厚度為0.6m，底板表層為0.2m厚的現(xiàn)澆C40硅粉鋼筋混凝土，下部為現(xiàn)澆C20鋼筋混凝土。側(cè)墻厚0.2～0.3m，內(nèi)邊坡坡度1∶1。側(cè)墻下部0.3m高的范圍內(nèi)現(xiàn)澆一層0.2m厚的現(xiàn)澆C40硅粉鋼筋混凝土，其余部位均為現(xiàn)澆C20鋼筋混凝土。為了使水流擴(kuò)散，減小躍后水深和消能塘的深度，增加消能效果，消能塘自進(jìn)口以5°～7°的單側(cè)擴(kuò)散角向外擴(kuò)散，消能塘出口設(shè)15m長(zhǎng)的漸變收縮整流段與下游渠道相連。

為進(jìn)一步達(dá)到消能的作用，分別在陡坡段設(shè)計(jì)高、寬均為20cm的雙人字形花崗巖加糙條5組，糙條長(zhǎng)度、中心角角度隨陡坡寬度的變化而變化，糙條間距均為400cm。在消能塘內(nèi)分別設(shè)計(jì)消力墩、尾墩。

2 觀測(cè)方法

為便于觀測(cè)，制作長(zhǎng)、寬、高分別為1.5m、1.5m、1.2m的鋼筋籠，并在鋼筋籠上焊制固定水尺及流速儀的U螺栓。為避免鋼筋籠的擺動(dòng)影響觀測(cè)精度，分別在鋼筋籠四角連接鋼絲繩，在渠道岸邊埋設(shè)固定樁。水流流速測(cè)量采用旋漿式流速儀，水深、水躍高度觀測(cè)采用鋼制水尺，水躍長(zhǎng)度采用米尺觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)利用吊車將觀測(cè)設(shè)備和觀測(cè)人員吊運(yùn)至觀測(cè)點(diǎn)上方。分別觀測(cè)第一組加糙條上游0.5m、第一組糙條后水躍頂點(diǎn)、第一組消力墩、消力池末端T型消力墩前后30cm的水深及流速。量測(cè)第一組、第二組加糙條后的水躍長(zhǎng)度、高度。

3 觀測(cè)結(jié)果分析

3.1 水流流速觀測(cè)分析

對(duì)于大比降輸水渠道，高速水流沖刷磨損是引起渠道及渠系建筑物損壞的主要因素之一，消能前后水流流速的變化是表征消能措施消能效果的主要表現(xiàn)。在渠道輸水流量為9.12m3/s時(shí)，經(jīng)用旋漿式流速儀測(cè)定不同部位的水流流速，測(cè)定值如圖1所示。第一組加糙條上游0.5m處觀測(cè)到的流速為5.55m2/s，第一組消力墩前30cm的流速為1.92m2/s，消力池末端T型消力墩前后30cm的流速分別為0.99、0.76m2/s。從水流流速的變化量分析，水流流經(jīng)雙人字形加糙條、消能塘、消力墩、尾墩消能后，流速減小86%，說明消能效果較好。

圖1 陡坡消能工不同部位的水流流速變化圖

3.2 水流流態(tài)觀測(cè)與分析

在觀測(cè)流量下，陡坡水深為21.6cm，佛汝德數(shù)Fr為45.553，即水流的平均動(dòng)能較大，急速水流在第一組雙人字形糙條處，受糙條的阻擋，水流急速向糙條凹形口處靠攏，形成菱形波，然后在糙條上形成水躍，在糙條凸形口處形成的水躍長(zhǎng)度、高度分別為3.63、1.18m，在糙條凹形口處形成的水躍長(zhǎng)度、高度分別為2.64、0.65m。水躍跌入渠底，受渠底影響，形成波浪，達(dá)到摻氣作用，往復(fù)經(jīng)過5組人字形糙條，多次變向、摻氣，水流波浪浪花逐漸加大，流速減小，進(jìn)入消能塘后翻滾前進(jìn)，遇消力墩、尾墩阻擋，流速進(jìn)一步減小，水深增加。

輸水渠道過水?dāng)嗝鎯?nèi)受二次水流及自由表面上空氣對(duì)水流阻滯作用的影響，渠道過水?dāng)嗝鎯?nèi)最大流速低于水面，位置處于0.6～0.8倍水深范圍內(nèi)[3- 5]。經(jīng)分析，雙人字形糙條設(shè)計(jì)高度為20cm，根據(jù)陡坡水深與糙條高度對(duì)比值，水流最大流速位置與糙條高度基本一致，且水深較淺時(shí)流過糙條頂部的水流未受上層水流的壓力及摩阻力的限制，導(dǎo)致水躍高度、長(zhǎng)度較大，水流摻氣量較大，水流在糙條的反復(fù)影響下，多次形成“多變向水流”，使水流多次變向，“流核”逐漸消失，并不斷摻氣，最終在各種消能措施作用下，佛汝德數(shù)Fr減小為0.194，變?yōu)榫徚鳌?/p>

3.3 入渠推移質(zhì)粒徑觀測(cè)分析

昌馬總干渠泥沙入渠問題嚴(yán)重，根據(jù)文獻(xiàn)[6]的觀測(cè)結(jié)果，昌馬總干渠進(jìn)水閘后，推移質(zhì)粒徑分析見表1，昌馬舊總干渠下段入渠推移質(zhì)粒徑為80mm以下，粒徑分析見表2。

表1 昌馬總干渠進(jìn)水閘后推移質(zhì)粒徑分析表

表2 昌馬舊總干渠下段人渠推移質(zhì)粒徑分析表

2017年昌馬總干渠停水期，對(duì)47#陡坡下游消能塘中淤積的推移質(zhì)粒徑進(jìn)行了取樣分析，結(jié)果見表3。粒徑大于90.0mm的卵石占4%，粒徑為26.5～16.0mm的砂石所占百分比為27.2%，粒徑小于2.36mm的砂石所占百分比為3.6%。47#陡坡基本處于昌馬總干渠的末端，但大粒徑卵石仍然存在。小粒徑砂石受水流的推移，逐漸向下游運(yùn)移，因此粒徑小于2.36mm的砂石所占比例較小。

表3 47#陡坡消能塘淤積推移質(zhì)粒徑分析表

3.4 大粒徑推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡觀測(cè)

卵石在陡坡上運(yùn)動(dòng)時(shí)，跳躍運(yùn)動(dòng)具有極強(qiáng)的隨機(jī)性，相同的試驗(yàn)條件用同一卵石進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果可能會(huì)有較大差異，卵石跳躍對(duì)底板的沖擊力約為自身重量的20～25倍，對(duì)底板的破壞作用較大[7]。根據(jù)昌馬總干渠入渠推移質(zhì)粒徑分析結(jié)果，挑選粒徑大于50.0mm的卵石，用紅油漆染成紅色，從陡坡上游投入水中，以便觀測(cè)運(yùn)移路徑。通過人工觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，樣品石進(jìn)入陡坡后翻滾前移，到達(dá)第一組糙條前沿，受水流菱形波的影響，略向糙條凹形口偏移，撞擊糙條后，跳躍翻過糙條，撞擊陡坡地板，繼續(xù)翻滾前移，此時(shí)，翻滾幅度相對(duì)較大，在糙條間反復(fù)翻滾前移、跳躍前進(jìn)，對(duì)陡坡及消能工形成破壞。小粒徑砂石受水流的推移，主要對(duì)渠道及渠系建筑物產(chǎn)生磨損破壞，而大粒徑卵石在渠底翻滾前移，一方面對(duì)渠道及建筑產(chǎn)生磨損破壞，同時(shí)產(chǎn)生撞擊破壞。尤其在陡坡中運(yùn)移時(shí)，對(duì)陡坡地板、糙條、消力墩產(chǎn)生錘擊效應(yīng)，破壞明顯。

3.5 外觀質(zhì)量觀測(cè)分析

在停水期對(duì)陡坡外觀質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)，如圖2—4所示。昌馬總干渠陡坡及消能工自改造后運(yùn)行至今已4年，受高速水流及大粒徑推移質(zhì)的沖刷、磨損、撞擊，陡坡及消能塘地板受損較小，加糙條迎水面棱角處部分破損，但破損面較小，消力墩迎水面底部破損相對(duì)嚴(yán)重。這是由于陡坡及消能塘設(shè)計(jì)中，地板表層襯砌厚度為0.2m的現(xiàn)澆C40硅粉混凝土，消力墩整體采用C40硅粉混凝土澆筑，經(jīng)用水下鋼球發(fā)檢測(cè)，襯砌用C40硅粉混凝土的抗沖磨強(qiáng)度為7.13h/(g·cm-2)，磨損率4.92%，因此，對(duì)比混凝土抗沖磨性及地板與消力墩迎水面的破損情況，消力墩破損主要受大粒徑推移質(zhì)的撞擊形成。加糙條是花崗巖石條材質(zhì)，經(jīng)整體裁制成設(shè)計(jì)尺寸，硬度較高，因此迎水面破損相對(duì)較小。

圖2 陡坡運(yùn)行現(xiàn)狀圖

圖3 人字形糙條迎水面現(xiàn)狀圖

圖4 消力墩迎水面現(xiàn)狀圖

4 結(jié)論

(1)文章分析了昌馬總干渠上在觀測(cè)流量下陡坡消能工不同過水?dāng)嗝嫔系乃髁魉?，水流流?jīng)5組雙人字形加糙條、消能塘+消力墩+尾墩后，流速明顯減小，陡坡消能工消能效果顯著。

(2)觀測(cè)了水流流經(jīng)陡坡后，在消能工的作用下，反復(fù)形成“多變向水流”，流核消失，摻氣量增加，由急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，平均?dòng)能急速減小。

(3)大粒徑推移質(zhì)在昌馬總干渠陡坡中跳躍、翻滾前移，對(duì)陡坡及消能工形成磨損及撞擊破壞。設(shè)計(jì)和施工中使用了C40硅粉混凝土、花崗巖加糙條，通過外觀觀測(cè)，水流沖刷及推移質(zhì)磨損造成的破壞較小，但大粒徑推移質(zhì)撞擊形成的破壞較大。