溢洪道泄流消能试验研究

马爱冬

(山西省闻喜县水务局 043800)

1 前言

近些年来，随着城市河道功能的拓宽，基于环境功能和传统防洪、取水功能相结合的工程增多，河道中的橡胶坝、混凝土坝、拦河闸以及跌水坎等建筑物下游的消能问题日益突出，曾经发生过很多水毁事故。究其原因，由消能工程设计和运行管理存在问题而引起的约占1/4;尤其不对称入流，引起了消能工程的直接破坏。因而本文的研究对于城市和乡村河道中溢洪道功能的实现具有重要现实意义。

2 概况

龙屯水库枢纽工程由土坝、溢洪道、输水洞三部分组成。土坝为黏土斜墙式砂壳坝，坝顶高程79.60m，防浪墙顶高程80.80m，坝顶长度742m，最大坝高24.35m。溢洪道为开敞式实用堰，由进口段、堰体控制段、出口段三部分组成。输水洞由进口段、洞身段、出口段组成。

a.除险加固方案。挡水土坝更换上下游干砌石护砌，下游干砌石贴坡排水，重建坝顶防浪墙，对绕坝渗流进行帷幕灌浆。土坝坝顶采用戴帽加高，加高后坝顶高程为80.10m，防浪墙顶高程为81.30m，斜墙顶高程为78.35m，最大坝高24.60m，加固后上下游边坡不变。主溢洪道将原结构拆除，重建新的4孔溢洪道，并将原弧形闸门变为平板钢闸门，对控制段下游的陡槽段采用钢筋混凝土护砌，陡槽末端设综合消力池进行消能，下游尾水渠两岸修建堤防进行防护。输水洞将进口段、出口段混凝土结构拆除重建，同时对原施工时未衬砌洞身段进行衬砌，进口检修门更换，原出口锥形阀拆除，重建为弧形闸门。

b.本文研究内容和方法。针对龙屯水库除险加固工程枢纽总布置方案，研究陡槽部位采用5级消力坎溢洪道的水流特性、陡槽断面的流速流态及各断面底部压强，并与光滑溢洪道进行对比，来验证此种消能方式在实际工程中的可行性。试验方案为:溢洪道为4孔敞泄式溢洪道，单孔净宽为10.0m，泄流总净宽为40.0m，堰型为驼峰堰，堰上设有4扇平板钢闸门，根据水力计算，陡槽采用5级弧形消力坎溢洪道(弧形消力坎高H)，弧形消力坎间距40m。以光滑溢洪道作为对比方案。见图1～图2。

图1 弧形溢洪道纵剖面

图2 弧形消力坎纵剖面

3 弧形消力坎溢洪道试验成果分析

3.1 弧形消力坎溢洪道水流流态特点

图3为弧形溢洪道纵剖面水流流态。由于弧形消力坎高度不够，并未在坎前形成水跃，因此未达到预期设计效果。图4为理想状态下弧形消力坎溢洪道水流流态。

图3 弧形溢洪道纵剖面水流流态图

图4 理想状态纵剖面水流流态效果

3.2 水面曲线沿程变化

试验分别沿溢洪道中心线、左边墙及右边墙在各断面对水面高程进行量测。由水深及水面高程数据分析可知50年一遇洪水时，从1级消力池末端开始，大多数断面边墙顶高程都低于水面高程，显然消力坎对上游产生壅水，使溢洪道内水位有所升高，水深大于边墙高度，溢洪道边墙高度不满足50年一遇洪水过流要求。2级消力池内形成充分的淹没水跃，跃后水面平稳，尾水无波动。但2级消力池内及其下游尾水，水面明显高于两岸边墙。因此，边墙高度不满足要求，边墙需加高。

弧形消力坎溢洪道水面高程和渠底高程曲线见图5。

图5 弧形消力坎溢洪道水面曲线

由图5可知，由于弧形消力坎的阻水作用，板前水位被壅高，但弧形消力坎的高度比较低，弧形消力坎前未能形成反向漩滚，而是在坎顶形成涌浪，弧形消力坎没有起到预计应有的消能作用。翻越坎顶后的水流湍急、动能较大。

3.3 流速沿程变化

试验分别沿溢洪道中心线、左边墙及右边墙在各断面对流速进行了量测，沿铅垂线取上、中、下3个测点。由数据可知，进入弯道前断面流速均匀分布，两岸速度值近似相等。进入弯道后，由于水流受离心力作用，主流偏向凹岸，左岸速度值明显大于右岸，但由于下游孔板的壅水作用，水深增大，流速相应减小。在设置孔板的溢洪道上，由于弧形消力坎逐级壅水消能，使水流折冲转向消失，断面流速分布左右趋于均匀化。因此，弧形消力坎可有效解决水流折冲问题。

图6～图8为弧形消力坎溢洪道各断面左中右岸流速沿程分布曲线。

图6 右岸流速沿程分布

图7 中轴线流速沿程分布

图8 左岸流速沿程分布

由图6～图8可以看出，弧形消力坎溢洪道断面流速左岸与右岸相差很小，说明主流的折冲现象大幅度减弱，这样对左岸的冲刷强度降低。此外，还可以发现流速总体出现了几次波动，这是由于下泄水流越过1级弧形消力坎顶部流速最大，动能处于最大状态，跌落到1级弧形消力坎与2级弧形消力坎之间时水流流速减小。由于弧形消力坎前产生雍水，并且坎前未能形成反向漩滚，而形成挑射水流翻越下级弧形消力坎顶部时流速增大。从图6～图8可以看出，水流速度波动后迅速下降，消能效果比较显著，不过由于水跃的多次发生，对溢洪道底板块的冲刷强度要求应该提高，以免遭到破坏。

3.4 动水压强沿程变化

50年一遇洪水时，沿程各测点在4孔闸门全开工况下压强水头平均值大于0，无负压，产生空蚀的可能性小。沿程动水压强最大值出现在弧形消力坎溢洪道起点。这是由于水流从1级消力池流出后，在1级弧形消力坎前壅水，水位较高，流速较大，动水压强达到最大值;此后，水流虽然在以后各级弧形消力坎前都有壅水过程，但由于经过前一级孔板后的水跃过程，造成能量消耗，速度在沿程总体趋势上呈下降态势。因此，压强虽有起伏，但是弧形消力坎溢洪道入口处为最大值。

4 弧形消力坎溢洪道与陡坡溢洪道对比分析

4.1 溢洪道流态特征

光滑溢洪道由于弯道离心力的作用产生水流折冲，使主流偏向左凹岸。流经光滑溢洪道时，形成两股水流，这两股水流相互作用，主流扩散折冲转向，使水面形成斜向波浪，在溢洪道末端主流仍位于左岸。从图8可以看出，弧形消力坎溢洪道可有效解决由于弯道离心力作用产生的水流折冲，使左右岸的流速均匀，减少水流对左岸的冲刷。

4.2 溢洪道水面曲线沿程变化对比分析

设有消力坎的溢洪道由于弧形消力坎的雍水作用，各断面水面高程普遍高于陡槽溢洪道各断面水面高程，从而导致部分断面的水面高程高出边墙顶高程。

4.3 溢洪道流速沿程变化对比分析

弧形消力坎溢洪道在水流进入弯道过后的临近断面流速减小效果不显著，这是由于弧形消力坎的高度不够，从1级消力池下泄的水流直接越过1级弧形消力坎，因此水流流速减小不明显，但随着各级弧形消力坎消能作用的发挥，从1级消力池下游的断面开始直至水流进入2级消力池，水流流速逐渐大幅度减小，效果十分明显。

4.4 溢洪道压强平均值沿程变化对比分析

光滑溢洪道上各测点压强逐渐减小，至水流流入2级消力池时压强最小，而弧形消力坎溢洪道上各测点压强有5次起伏，这是由于弧形消力坎坎前壅水造成水深增加引起的。总的来看，弧形消力坎溢洪道压强水头平均值大于0，无负压，产生空蚀的可能性小。

5 结论

此次试验由于弧形消力坎的高度不够而未能达到预期效果。但是通过在光滑陡槽溢洪道上加设弧形消力坎后，得到以下结论:

a.由试验数据分析可知:弧形溢洪道水面高程普遍高出边墙顶高程，水流溢出岸坡。这是由于坎前壅水造成的。但是如果加高弧形消力坎高度，坎前壅水位会提高较大，并且两岸护坡高度也应相应加高，这点应该予以注意。

b.通过设置弧形消力坎，改善了弯道折冲水流在光滑陡槽溢洪道上形成的较大速度水流的恶劣流态，在弧形消力坎溢洪道上有效地降低了水流速度，并使水流速度分布均匀，有效地降低了二级消力池的消能压力，使二级消力池内水流相对稳定，主流折冲影响基本消失。

c.此次试验的弧形消力坎虽然未能充分发挥消能作用，但由数据可以看出溢洪道水流流速已经大幅降低。如果设计在弧形消力坎溢洪道上形成6个水跃，消能率会更大幅提高。

d.弧形消力坎溢洪道上各测点压强水头均大于0，全程无负压出现，出现空蚀现象的可能性极小。但是随着水深的增加，水流对弧形消力坎的弧形面以及渠底的压力相应增加，这也应该予以注意。

由上综述，弧形消力坎溢洪道可有效应用于实际工程中。■

1 周丽丽，郭维东，闫滨，董延超，李海欣.弯曲溢洪道挑流消能冲刷坑的研究［J］.沈阳农业大学学报，2008(3).

2 戴玉婷.弯道水流基本特性研究现状分析［J］.湖南交通科技，2008(3).

3 唐仁杰，胡旭跃，戴玉婷.弯曲河道水流的研究现状［J］.水道港口，2009(4).

4 王平义.弯曲河道纵向垂线平均流速平面分布的研究［J］.水动力学研究与进展，1994(3).