胡良明　胡志鵬　謝學東　郭新蕾　王濤

摘 要：某山地溢洪道入流角度過大，且水流受圓弧段彎道離心力的影響，溢洪道外側水體壅高明顯，嚴重影響下游的銜接消能。在不改變原平面布置情況下，采用物理模型試驗方法對溢洪道進行了優(yōu)化設計，上游入水口及彎道銜接段設導流墩，下游陡槽段采用臺階式溢洪道的防沖消能體形，并對水流流態(tài)及消能率等方面進行了試驗研究。結果表明：上游進口段水流分布均勻，銜接段水面線明顯降低，臺階段呈現穩(wěn)定的滑行流。實測臺階式溢洪道消能效率達到了87%，消能效果良好，流態(tài)穩(wěn)定。

關鍵詞：物理模型試驗;臺階式溢洪道;水流流態(tài);消能率;導流墩

中圖分類號：TV131.61?? 文獻標志碼：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場區(qū)邊緣，是匯集場外山坡雨水，并將其排至附近下游河道的泄洪消能工程。在盡量不改變原溢洪道平面線路布置的基礎上，分析東側溢洪道（轉彎、陡槽段等）消能設施的適用性，通過系統(tǒng)試驗提出安全、經濟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、彎道轉彎段、漸變收縮過渡段及下游陡槽段四部分。上游直段明渠底寬10 m，在該段設一進水口，下面緊接內側半徑為65 m的圓弧，寬度為10 m的彎道，彎道弧長約為26 m。下游陡槽段長度約為139 m，落差33 m，坡度較陡，彎道段與下游陡槽段之間通過漸變段連接。

該工程存在的主要問題是：上游入流水流調整角度過大，收縮嚴重，水流很難保持平順，加上圓弧離心力對水流的影響，銜接處外側水體壅高十分明顯，非常不利于下游的銜接消能。而且下游陡槽狹窄，原設計方案為底寬僅1 m的梯形渠道，上游因轉彎角度過大而產生的不均勻水體會搖擺向下，導致陡槽段流速分布嚴重不均，加上原有溢洪道結構基礎存在一定問題，在消能防沖不到位的情況下，沖刷破壞嚴重，局部甚至已出現沖毀的情況。因此，為了改善溢洪道內水流流態(tài)，對上游來洪進行充分消能，筆者在原設計方案的基礎上對該溢洪道進行了重新設計和優(yōu)化，依據有關規(guī)范、規(guī)程[1-2]要求，建立了水工物理模型，模擬設計方案下的水力特性、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 物理模型試驗設計與成果

1.1 物理模型初步設計方案

臺階式溢洪道作為一種新的消能設施在國內外得到了廣泛的應用[3-5]。臺階式溢洪道具有消能效率高、工程布置簡單等優(yōu)點，能將大部分能量“化整為零”[6]地消耗掉，其帶來的經濟效益往往是巨大的[7]。

本試驗設計方案是在溢洪道下游段布置多級臺階式溢洪道，其主要參數有：臺階的高度及寬度，泄槽邊墻的高度。

（1）臺階高度和寬度的確定。該工程溢洪道設計最大流量為20 m3/s，通過過流能力計算和水面線定性分析，并結合現場地形和地質特點，下游調整后的底寬為3.8 m，此時臨界水深hk約為1.4 m，正常水深h0約為0.35 m，滿足過流能力要求。根據平面布置圖，下游陡槽段長度約為139 m，落差33 m，即平均坡比為33/139，設計時泄槽的傾斜角度基本與山體坡角保持一致。因此，初步設計臺階溢洪道寬度為3.8 m，單個臺階高1 m、寬4.2 m，總臺階個數為33個。在此條件下，小流量時臺階區(qū)內可能形成跌流水舌[8]，在跌流區(qū)產生完全水躍或者不完全水躍，大流量時臺階內可能形成滑行水流[9-10]。

（2）下游泄槽邊墻高度確定。臺階式溢洪道上的水流自摻氣過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)，即臺階上的水流將首先經過非摻氣區(qū)，然后從初始摻氣點開始逐漸摻氣，最終達到穩(wěn)定[11-12]。初始摻氣點一般認為是紊流邊界層發(fā)展到自由水流表面時的位置。根據Matos等[13-16]的研究成果，初始摻氣點的計算公式（適用于臺階坡度θ滿足6.8°≤θ≤59°）為

式中：Li為從臺階起點到初始摻氣點的長度;k為臺階粗糙高度;Fr為臺階粗糙弗勞德數;h為臺階高度;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]根據試驗數據擬合得到的初始摻氣點經驗公式為

Lik=8.185Fr0.699 3（4）

目前被設計者廣泛接受的邊墻高度的確定方式是以摻氣濃度達到90%的水深為依據。Bieri M等[20]給出了摻氣點水深的經驗公式：

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安全系數，安全系數一般為1.5～2.0[21]。

根據上述理論和經驗公式計算得到Li=21.1 m、Y90=0.96 m，取邊墻高為1.5 m。

1.2 物理模型制作

陡槽段物理模型設計依據水力相似原理，對于自由表面水流，當水流處于紊流阻力平方區(qū)，即雷諾數大于106時，模型和原型滿足幾何相似和重力相似。模型擬采用1∶20的比尺，長度比尺為λL，其他相關比尺如下：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]，相應地模型流道糙率為0.008～0.009，采用一級透明有機玻璃（糙率約為0.008 5）進行模型加工制作，換算為原型糙率為0.013 2，可基本滿足糙率相似要求，同時便于觀測模型中的水流流態(tài)。按照1∶20比例尺制作模型，進水口1、進水口2和進水口3分別連接到實驗室的水箱，供水管道的水流經過水箱后形成平穩(wěn)水流流入溢洪道中。

1.3 初設方案結果分析

為了檢驗設計方案的合理性，對溢洪道千年一遇洪水流量為20 m3/s工況進行試驗，3個進水口流量分配見表1。

通過3個進水口入流，溢洪道流量達到20 m3/s，水流經上游急流段到中間漸變段，在漸變段中間形成水躍，之后下泄入臺階泄洪道，水流流態(tài)見圖1～圖4。

由圖1～圖4可以看出，初設方案上游段采用圓弧銜接以及下游陡槽段采用臺階式溢洪道的消能體形基本是合適的，過流能力滿足要求。初設方案臺階段初始摻氣點發(fā)生在第6級臺階處，與計算結果一致。經過了摻氣發(fā)展區(qū)后，水流摻氣較充分，實測流速最大為8.06 m/s，充分摻氣后流速趨于穩(wěn)定，為7.5 m/s，臺階上水流流態(tài)接近滑行流。

2 設計方案優(yōu)化研究

根據溢洪道初步設計試驗結果發(fā)現，初設方案存在如下問題：

（1）2#和3#進水口跟主流方向角度較大，明渠內水流分布不均勻，尤其2#進水口水流對對岸沖刷明顯，導致水位壅高超過現有溢洪道邊墻高度。

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

（3）臺階段消能率雖然較高，但臺階水平方向長度較大，導致水流呈現跌落滑行流狀態(tài)，一方面水流沖擊臺階底板，另一方面出現了比較明顯的水翅現象。

因此，針對以上問題對初設方案進行了優(yōu)化。

2.1 溢洪道優(yōu)化設計方案

通過多種方案的對比，最終對初設方案進行了如下修改和優(yōu)化：

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

（2）在上游明渠段新加了3個導流墩，其平面布置見圖6，實物位置見圖7、圖8。通過在2#和3#進水口設置1#導流墩和2#導流墩，當2#和3#進口橫向流進水流后，保證水流盡量在明渠中分布均勻，減少水流對左岸河床的沖刷。3#導流墩設置在過渡段的中間，導流墩設計右岸高、左岸低的結構，調整因離心力作用而使右岸水面偏高的狀態(tài)，使水流下泄在臺階時均勻分布。

2.2 溢洪道優(yōu)化設計試驗結果

2.2.1 溢洪道水流流態(tài)

經過模型結構優(yōu)化，最終水流流態(tài)明顯得到改善，臺階段水流在千年一遇（流量20 m3/s）工況下呈現順直平滑的滑行流態(tài)，且無水翅現象發(fā)生。各段流態(tài)見圖9～圖12。

圖9 2#進水口和3#進水口附近流態(tài)

進口段附近：由圖9可知，增加了1#導流墩和2#導流墩后，明渠內水流分布明顯均勻，尤其2#進水口水流對對岸沖刷明顯減弱，水面起伏變緩，渠中不存在折沖水流，受圓弧段離心力影響，右側水深略高于左側水深。

漸變段：安裝了1#和2#導流墩之后，3#導流墩安裝前后右側水面線比較如圖11所示。其中3#導流墩未裝之前，水流向右側偏流嚴重，最高點超過現存邊墻0.8 m，安裝3#導流墩后，水面線變得更加平緩，水深明顯變淺并且控制在現存邊墻之下。左右兩側水面高差減小，臺階進口兩側水流基本均勻。

臺階段：臺階高度、長度降低后，水面線光滑平順，水翅現象消失，如圖12所示。經實測，臺階段除未摻氣的第一、第二臺階水深為1.06 m和0.84 m外（該段邊墻高度設計值為2.0 m），其余臺階水深均未超過0.80 m，而摻氣段設計邊墻高度為1.5 m，安全超高88%以上。因此，考慮到縮尺效應對摻氣水流的影響，實際水深在測量水深基礎上增加25%的系數，該山地溢洪道臺階段設計滿足安全性要求。

2.2.2 溢洪道消能率分析

為計算臺階式溢洪道段的消能率，可對臺階式溢洪道上游和下游的躍前斷面水頭應用伯努利方程進行檢驗：

其中

式中：Hmax為臺階起點上游斷面的總水頭;H1為躍前斷面水頭;ΔH1為躍前斷面水頭損失;Hd為臺階溢洪道總高度;yc為溢洪道進口前的臨界水深;α為動能修正系數;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]根據試驗結果得到臺階式溢洪道跌落水流的消能率計算公式：

經實測，優(yōu)化設計后的臺階進口斷面中間處水深為1.32 m、流速為5.04 m/s，臺階出口斷面水深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]的消能率計算公式得η=0.916 6。兩種算法結果相近，該方案消能效果較好。

3 結 論

通過對該山地溢洪道工程的初步設計試驗發(fā)現，進口段水流方向角度較大，溢洪道內水流流態(tài)分布嚴重不均，且下游臺階段有水翅現象發(fā)生，有水滴濺出邊墻，為了改善溢洪道內水流流態(tài)，對溢洪道結構體形進行了一系列優(yōu)化試驗研究，得到如下主要結論：

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

（2）增加3#導流墩后，臺階進口段附近水面線最大降低1.0 m，由超過原邊墻線0.8 m變?yōu)闈u變段水面線均在現存邊墻線以下，兩邊水流分布更趨于均勻。

（3）優(yōu)化設計后臺階段水流均勻下泄，形成了光滑流動的滑行流，而在初步設計方案中，到第6個臺階兩側下泄水流才開始變得均勻。臺階段消能率為87%，流態(tài)明顯改善，每級臺階內形成的穩(wěn)定旋渦對滑行水流起到頂托作用，使底板免受水流沖擊，且初設方案中的水翅現象消失。設計的溢洪道邊墻高度確保了過流能力同時有合理的超高。

基于物理模型試驗，在千年一遇洪水的設計工況下，對溢洪道結構體形進行了優(yōu)化調整，優(yōu)化后溢洪道上游明渠、下游陡槽過流均勻，銜接良好，臺階式溢洪道消能充分，達到了優(yōu)化的目的，為其他工程提供了參考和借鑒。

采用導流墩及臺階式溢洪道的聯合消能防沖體形，穩(wěn)定了溢洪道內的水流流態(tài)，消除了水翅現象，且消能效果十分顯著，減弱了水流對溢洪道的沖刷，提高了結構的安全性和穩(wěn)定性。

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【責任編輯 張華巖】

收稿日期：2019-05-20

基金項目：國家重點研發(fā)計劃課題（2017YFC0405103）;國家自然科學基金資助項目（51679262）

作者簡介：胡良明（1963—），男，河南光山人，教授，博士，研究方向為水工新材料與結構性能、水工結構抗震分析等

通信作者：王濤（1975—），女，河南南陽人，教授級高級工程師，博士，研究方向為水工水力學

E-mail：taozy163@163.com