顧嵋杰,寇思飛,王軍忠

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

跌水建筑物是渠道工程中最常見的渠系落差建筑物，在中國廣大的丘陵塬坡地區(qū)應(yīng)用較為廣泛[1-2]。當(dāng)渠道通過高差較大或者坡度較陡地形時(shí)，為調(diào)整渠道比降，避免渠線深挖高填，需將渠道落差進(jìn)行集中消落。當(dāng)落差較小時(shí)，多采用跌水作為渠道上下游落差連接建筑物[3-4]。跌水一般由上游進(jìn)口連接段、控制堰口、消力池和出口連接段4部分組成。

工程實(shí)際中，跌水的流態(tài)比較復(fù)雜，跌口處由于邊界突然失去約束，會(huì)出現(xiàn)降水水面，水舌跌落后與周圍水體摻混并在射流沖擊點(diǎn)或入射點(diǎn)卷吸氣體，水流沖擊下游渠道底板后發(fā)生折沖水流，為水力計(jì)算帶來一定困難[5]。一般大型跌水建筑物需要做水力模型試驗(yàn)，中小型可按照現(xiàn)行規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊進(jìn)行計(jì)算確定。本文采用不同的計(jì)算公式，對跌水消力池池長、池深等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對計(jì)算成果進(jìn)行分析比較，最終確定建筑物尺寸參數(shù)，為中小型跌水建筑物設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 控制堰口

為確保水流平順通過進(jìn)口控制段跌落消力池內(nèi)，要求上游渠道水面不雍高或降低，常將進(jìn)水口控制段縮窄做成缺口，減少水流過水?dāng)嗝妫３盅呖谇八钆c上游渠道水深一致?？刂频谥饕獢嗝嫘褪接芯匦稳笨诤吞菪稳笨?種，跌口見圖1。

矩形缺口結(jié)構(gòu)簡單，在通過設(shè)計(jì)流量時(shí)缺口處的水深與上游渠道水深相等或接近，缺口前水位不雍不降。但通過加大流量(大于設(shè)計(jì)流量)時(shí)缺口以上發(fā)生雍水；通過小流量(小于設(shè)計(jì)流量)時(shí)缺口以上發(fā)生降水曲線。因此，矩形堰口斷面適用于渠道流量變化不大的輸水工程。

梯形缺口適用于流量變差較大的輸水工程，分別在設(shè)計(jì)流量、小流量、加大流量等各級流量工況條件下，滿足缺口前水深與上游渠道水深一致，以此計(jì)算跌口寬度，確定梯形跌口尺寸。

圖1 矩形、梯形跌口圖

2 水力計(jì)算

2.1 跌口水力計(jì)算

跌口水力計(jì)算主要目的是確定跌口的寬度，確保各級流量條件下跌口前水深與上游渠道水深相等或接近，水流現(xiàn)象與寬頂堰情況基本相同。一般工程上多采用矩形跌口，跌口計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Q為跌水設(shè)計(jì)流量，m3/s；m為扭面連接跌口流量系數(shù)；bc為矩形跌口寬度，m；H0為包含堰前流速水頭的堰上水頭，m；ε為邊界收縮系數(shù)。

跌口寬度計(jì)算前提條件為跌口前水深與上游渠道水深保持相等。因此，跌口前的水深h及流速v取上游渠道水力特征值。由于工程實(shí)際運(yùn)行中漸變段的存在，跌口處的尺寸與上游明渠斷面不同，水流經(jīng)過漸變段會(huì)發(fā)生水頭損失，水流位能與動(dòng)能發(fā)生轉(zhuǎn)化，跌口前水深及流速與上游渠道不相等。由于能量損失較小，流速變化不大。因此，一般可近似取上游渠道的水力參數(shù)值進(jìn)行簡化計(jì)算。

2.2 消能計(jì)算

跌口下游修建消力池，是利用池中形成的強(qiáng)迫水躍來充分消耗下泄水流所挾帶的能量，使得水流平順進(jìn)入下游渠道，減輕對下游渠道的沖刷破壞。目前跌水消力池計(jì)算方法有經(jīng)驗(yàn)公式和水躍方程公式2種，本文對2種計(jì)算公式進(jìn)行比較分析。

(1) 經(jīng)驗(yàn)公式

《水力計(jì)算手冊》(第二版)[6]消力池計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

(4)

hc=0.54D0.425P

(5)

(6)

(7)

(8)

(2) 水躍方程公式

現(xiàn)行GB 50288-2018《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[7]及SL 482-2011《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]規(guī)定，跌水消力池采用水躍方程公式計(jì)算，公式如下：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：hc為水舌處收縮水深，m；q為水舌跌落處單寬流量，m3/s.m；φ為流速系數(shù)；Z0計(jì)入流速水頭上游斷面與hc斷面水位差，m；Ls為消力池長度，m；P為水流跌差，m；ds為消力池池深，m。

(3) 分 析

筆者通過查閱資料知，經(jīng)驗(yàn)公式來源于日本土木學(xué)會(huì)《水力學(xué)公式集》[9]，其適用于高坎矩形缺口跌水的水躍計(jì)算。該公式由鐵道部科學(xué)研究院水工水文研究室翻譯，并于1977年出版，距今已有40余年?，F(xiàn)行規(guī)范GB 50288-2018《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、SL 482-2011《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》及專業(yè)書籍[1-2]中跌水消能計(jì)算推薦水躍方程公式，可適用矩形、梯形等不同型式的跌水，公式中增加流速系數(shù)、躍后水深的淹沒系數(shù)等不同修正參數(shù)，確保了計(jì)算成果的合理性。

通過對同一跌水建筑工程，分別根據(jù)以上2種公式進(jìn)行消能計(jì)算，一般情況下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的消力池池長偏小，池深偏大，導(dǎo)致水躍能量不能在消力池中完全消耗掉，可能會(huì)進(jìn)入下游渠道中，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)；池深偏大導(dǎo)致跌墻高度增大，池底下挖工程量增大，不利于跌墻穩(wěn)定安全及工程投資。

水躍方程公式是由動(dòng)量定理推導(dǎo)而出，其計(jì)算理論依據(jù)充分，成果可靠，目前現(xiàn)行規(guī)范及專業(yè)教材均推薦水躍方程公式。而經(jīng)驗(yàn)公式具有一定時(shí)間及應(yīng)用上的局限性，計(jì)算理論及依據(jù)無從查知，偏向經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，缺乏理論支撐，未考慮不同水力條件下的修正參數(shù)，計(jì)算成果有待商榷。因此，建議一般中小型跌水建筑物水力計(jì)算采用文獻(xiàn)[7-8]或者專業(yè)書籍[1-2]中水躍方程公式計(jì)算。

3 算例分析

某引水注入式平原水庫通過引水渠道將汛期河道洪水引至水庫中，達(dá)到引洪調(diào)蓄的目的。渠道全長4.0 km，沿線共布置14座跌水，上下游渠底高差3.0 m，設(shè)計(jì)流量40 m3/s，跌水采用矩形控制堰口。上下游均為梯形渠道，底寬4.0 m，兩側(cè)邊坡1.75 m，設(shè)計(jì)縱坡1/200，設(shè)計(jì)水深1.75 m，流速3.26 m/s。具體跌水縱剖面見圖2。

圖2 跌水縱剖面圖 單位：高程，m；其它，cm

(1) 跌口寬度計(jì)算

跌口滿足寬頂堰流，采用公式(1)～(3)，跌口前水深及流速分別取上游渠道水深及流速，通過試算不同的跌口寬度求算泄流量，當(dāng)寬度取6.0 m時(shí)，泄流量為40 m3/s，試算寬度合適。因此，確定跌口寬度為6.0 m，可確保在設(shè)計(jì)流量條件下，跌水建筑物與上游渠道水面銜接平順，流態(tài)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)雍水或降水現(xiàn)象。

(2) 消力池計(jì)算

分別采用經(jīng)驗(yàn)公式和水躍方程公式進(jìn)行消力池計(jì)算，成果見表1。

表1 消力池計(jì)算成果表

(3) 成果選取

跌水上下游連接渠底高程差3.0 m，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算池深1.58 m，跌墻凈高4.58 m，池長13.16 m；水躍方程計(jì)算池深1.11 m，跌墻凈高4.11 m，池長14.36 m。2種公式計(jì)算下的成果相差較大，主要是由于收縮水深、躍后水深(共軛水深)計(jì)算不同造成，水躍方程根據(jù)動(dòng)量方程推導(dǎo)而出，共軛水深計(jì)算公式成熟，成果可靠，而經(jīng)驗(yàn)公式成果精度相對較差。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算池深墻高，池長短，不利于跌墻安全及水躍能量在池中消耗。因此，選用水躍方程公式計(jì)算成果，池深取1.10 m，池長14.50 m，跌口寬度6.0 m，均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

(1) 跌水建筑物跌口寬度計(jì)算需滿足各級流量條件下上游渠道與跌口水流平順銜接，不出現(xiàn)雍水或者降水現(xiàn)象。

(2) 本文對跌水消能經(jīng)驗(yàn)公式以及水躍方程公式進(jìn)行分析比較，兩者計(jì)算結(jié)果相差較大。一般經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出消力池深大，池長短，導(dǎo)致消力池挖深大、跌墻高，水躍能量不能完全消耗在池中，不利于工程安全及工程投資。

(3) 經(jīng)驗(yàn)公式為20世紀(jì)70年代提出，偏向經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，缺乏理論支撐。而水躍方程公式由動(dòng)量定理推導(dǎo)而出，計(jì)算理論依據(jù)充分，成果可靠，現(xiàn)行規(guī)范及專業(yè)教材中均應(yīng)用此公式。因此，建議跌水建筑物消能計(jì)算采用水躍方程。《水力計(jì)算手冊》再版時(shí)，建議將經(jīng)驗(yàn)公式修改為水躍方程公式，與現(xiàn)行規(guī)范教材保持一致，統(tǒng)一計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。