高落差泄水闸陡管折冲式消能工研究

姜福基

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州730000）

高落差泄水闸陡管折冲式消能工研究

姜福基

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州730000）

甘肃省东乡南阳渠总干5#泄水闸泄水落差大、坡度陡而且运行过程中流量变化异常频繁，因此消能防冲方式的确定至关重要。在充分分析地形地质条件和水工模型试验的基础上从泄水落差、流量变化、流速、运行要求和消能等多个方面研究了该工程的消能方式及其结构布置形式。经研究该工程泄水渠拟采用无压输水陡管两级消能方案，其中首级消能采用国内首创的折冲式消能工形式（落差为80.97m），二级采用底流式消力池形式（落差为20.53m）。经理论计算和实际工程应用表明该消能方式效能率高、流态稳定，是一种值得推广的消能方式。

高落差；消能工；水力计算；模型试验

1 引 言

甘肃省东乡南阳渠灌溉工程位于临夏回族自治州境内，是解决东乡、和政及临夏三县部分地区灌溉、人畜饮水、生态用水的跨流域中型调水工程。其中总干渠5#泄水闸泄水渠总长404.19m，泄水落差为101.5m，设两级消能，第一级落差为80.97m，比降分两段，上段1/4.03，下段1/2.19；第二级落差为20.53m，比降1/4.47。此外，该泄水闸又为南阳渠最大灌区那勒寺支渠分水闸，灌溉输水时间长，运行过程中流量变化频繁，设计采用钢管陡管泄水，管径Φ 1000，泄水流量为3.5m3/s，灌溉设计流量为0.6m3/s，灌溉高峰期流量约为2.0～1.5m3/s。因此该工程消能工设计至关重要。虽然国内外学者已开展许多关于消能方面的研究工作［1，2］，如苏武艳［3］、陈朝［4］和熊建宁［5］等通过试验的方法研究了各种消能工的消能效果；史志鹏［6］和董建伟［7］等则通过数值模拟的方法分别对低水头辅助消能工和洞塞式消能工进行了研究；王健［8］和姜华［9］等分别对格栅式和台阶上消能工进行了分析；阮祥明等［10-12］则结合具体工程研究了各种消能工的消能效果；明福林［13］和潘辉［14］等对中小型水工建筑物的消能问题进行了探讨。

上述研究成果虽然在解决具体工程问题方面体现出了各自的优势，但均无法满足本工程高落差［15-16］且流量频繁变化的消能任务，本文拟根据地形地质条件和水工模型试验结果从泄水落差、流量变化、流速、运行要求和消能等多个方面研究该工程的消能方式及其结构布置形式。基于理论分析计算和相关模型试验，拟提出折冲式消能工形式（一级消能），第二级采用底流式消力池形式。以期解决本工程高落差且流量频繁变化的消能难题。

2 折冲式消能工设计

2.1 折冲式消能工布置

5#泄水闸泄水渠消能工设计，因第一级落差较大，流速较高，且存在支渠小流量分水问题，流量由3.5m3/s变化为0.6m3/s，运行过程中流量变化频繁，如泄水管道采用有压输水时，管内存在有压无压交替状态，而常规底流式消能工，因管出口流速较难控制，致使在不同流量工况下消能不允分。为使管道在各流量工况下不产生有压无压交替情况，泄水管道采用无压输水陡管，一级陡管出口消能工采用折冲式消能工形式。所谓折冲式消能工，既是将消能箱分为三段三个区域，第一段在距管出口1.4m处的管轴线上设折角120°的铸钢折冲板，板厚200m m，分向两侧的板宽515m m，板两端固定在箱体两侧墙上，此段为强烈掺气区；第二段为在距折冲板0.8m处的箱底板上设高度1.4m的向上折流板，然后在距第一道折流板1.2m处的箱体项板上设高度为1.4m的向下的折流板，此段为能量耗散区；第三段在距离上折流板1.2m处设1.4m高的尾坎，此段为水流流态调整区。折冲板考虑消能效果采取前折流板的上端和后折流板的下端及尾坎顶部均在一个平面上的设计形式（详见图1），但根据模型试验也可采用不在一个平面上的设计形式。

折冲式消能工流态调整区后的流态根据水工模型试验，箱出口流态较平稳，对下游建筑物不产生冲刷，一般情况下设长10m左右的水流扩散段与渠道或河道交汇即可。本泄水闸泄水陡管因为采用二级，为保证第二级陡管的进流平顺，在流态调整区后设长7.149m，宽3.0m，深2.0m，比降1/500的矩形扩散段和长2.851m的渐变段与二级陡管衔接。

2.2 折冲式消能工结构设计

泄水闸泄水陡管一级折冲式消能工采用现浇C 25钢筋混凝土结构，箱体结构尺寸为：箱体净长6.1m，净宽3.0m，净深2.6m，侧墙板厚50c m，底板厚80c m，顶板厚50c m，上、下折流板厚50c m，管道入箱口设与箱体为一体的镇墩，镇墩长4m，宽4m。

2.3 折冲式消能工消能水力计算

2.3.1 陡管水力计算

泄水闸泄水陡管设计分为两级，第一级陡管管长273.33m，落差为80.97m，比降：前段长187.41为1/4.03，后段长86.08m为1/2.19；第二级陡管长94.06m，落差为20.532m，比降1/ 4.472，两级陡管均采用管径Φ1000m m钢管。一级陡管出口消能采用折冲式消能工，二级陡管出口采用底流式消力池。该水力计算主要计算第一级陡管流速和管内净空面积比，计算公式采用曼宁公式。

式中：

V—折冲式消能工前陡管流速（m/s）

i—陡管比降；

C—谢才系数（m/s1/6），

n—钢管内壁糙率，n=0.012；

A—过水面积（m2），

d—管道内径（m）；

h—管内水深（m）；

r—管道半径（m）。

图1 消力箱结构布置图

一级陡管各流量工况下流速计算见表1。

从表1中数据可以看出，管道通过最大泄水流量3.5m3/s时，净空面积比为74.43%，大于规范要求的无压流15%，表明管道完全为无压出流。

2.3.2 折冲式消能工水力计算

折冲式消能工是国内首创的一种新型消能形式，该种消能工由于管出口出流受折冲板对流速的反向折流，同时箱中分为强烈掺气区、能量耗散区、流态调整区，箱内流态均为紊流状态，水力学计算目前尚未成功的计算公式，只能通过水工模型试验确定管出口至折冲板、折冲板至折流板及上、下折流板之间的距离和水流流态调整区的长度，以及消能箱的净宽和箱体出口扩散段的长度等。

2.3.3 消能箱出口水流扩散段水力计算

消能箱出口水流扩散段经折冲消能后，其流态已很稳定，但如果与该泄水闸设计相同，需要设两级消能时，还需计算出相应的正常水深及临界水深，以判断扩散段是缓流还是急流。扩散段水深由水工模型试验确定。水工模型试验得到本工程扩散段最大流量为3.5m3/s时，h=0.658m。

（1）扩散段临界水深计算

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式中：

α—修正系数，α=1.0～1.04，取1.0；

B—扩散段宽度（m），B=3.0m。

计算得最大泄水流量Q=3.5m3/s时，临界水深hk=0.175×B=0.525m，小于水工模型试验得到的扩散段最大流量为3.5m3/s时的水深h= 0.658m，即hk＜h，说明扩散段为缓流。

（2）扩散段水深复核

虽然由前计算判断的扩散段水流为缓流，但不能判断是均匀还是堰流，其判断是否为均匀流的条件是：

当扩散段长度L＞10倍的扩散段水深时为明渠均匀流；

当扩散段长度L＜10倍的扩散段水深时为宽顶堰流；

水工模型试验得到本工程扩散段最大流量为3.5m3/s时的水深h为0.658m，扩散段长度L= 7.194m＞10h，属明渠均匀流。各流量工况水力计算按满宁公式计算：

式中：

Q—扩散段过流量（m3/s）；

A—扩散段过流面积（m2），A=B h；

i—扩散段比降；

C—谢才系数（m1/6），

n—糙率，取n=0.015；

R—水力半径（m）；

X—湿周（m），X=B+2h；

B—扩散段宽度（m）；

h—扩散段水深（m）。

各流量工况下扩散段水深计算见表2。

表1 第一级陡管各流量工况流速计算表

表2 各流量工况下扩散段水深计算表

由表2可以看出，消能箱出口扩散段通过最大流量时，正常水深与模型试验水深一致，由此说明扩散段水流是明渠均匀流。该工程泄水闸二级陡管仍可采用无压泄流。

3 折冲式消能工的消能原理

折冲式消能工的消能原理是管道出口水流经折冲板折流发散，产生大量空气，挟带空气的水流与周围水体产生强烈掺混区，并带动水流在折冲板上下与箱体之间形成竖向回流。在强烈掺混区水流的消能是以水流与折冲板和箱体边壁的摩擦及水流质点之间的掺混剪切的方式进行的。根据水工模型试验，消能耗散区的水流大致可分为上、下两层。上层水流紊动强烈，气泡快速向上逸出，水流状态有面流消能的某些特征。下层水流的运动特征则主要是折冲和碰撞，在水流翻过前后折流板时，折流板之间增加了水体和固体边界的摩擦。总之，在消能耗散区，水流主要以掺混、紊动、破碎的方式消能，表现的形式是水与水的质点之间，水与气泡之间，水、气泡与固体边界之间通过摩擦进行质量、能量和动量的交换，从而达到能量的消散。当水流流出耗散区时，大部分能量已消耗殆尽。水流流态调整区有两个功能，第一个功能是通过出口段的调整，使出口段的水流平稳、平顺，减少波动；第二个功能是使水流从耗散区带出的气泡能在出口逸出。这两点对折冲式消能工设计都很重要。

折冲式消能工的水流能量消耗主要在掺混区和能量耗散区，其掺混区和耗散区的长度、宽度由泄流量、流速大小而定，根据水工模型试验结果，一般情况下流速为主要控制因素，但流速可由输水管直径来控制。

折冲式消能工的消能率是反映消能效果的一个指标，为定性评价该种消能工的消能效果，本次水工模型试验分别进行了7种流量工况下的消能率试验，结果见表3。

表3 折冲式消能工在各流量工况下的消能率

从表3看出，折冲式消能工的消能率在70%～90之间，较一般底流式消力池的消能率（45%～70%）要高出20%以上，且流速越大，消能率越高。如甘肃庆阳市火巷沟排洪工程采用此种形式的消能工，经水利部西北水科所水工模型试验验证，排洪流量达到20m3/s时，消能率为89.6%，可见该种消能工是值得推扩的一种新型消能工。

本工程水工模型试验现场如图2所示。

图2 折冲式消能工水工模型试验

4 折冲式消能工的特点

根据该工程地形地质条件、水工模型试验及运行效果分析总结出折冲式消能工具有以下优点：

（1）能够适应高落差、高流速的管道泄水；

（2）消能箱小，结构简单，工程量小，投资省；

（3）消能非常充分，消能率较高，尾坎后扩散段水流稳定，流速相当缓漫，对下游渠道或河道（沟道）无冲刷；

（4）对地形条件无限制，适合于任何地形布置；

（5）能适应复杂的地质条件，地基处理简便；

（6）适应多级消能；

（7）可在20m3/s以下流量的输水陡坡，泄水消能建筑物使用。

唯一不足之处是箱内污物清除困难，陡管进口需设置拦污设施，并尽可能应用于清水渠系之中，特别是该种消能工不适应有压管道的消能。

5 结论

（1）总干渠5#泄水闸采用无压输水陡管，两级消能方式消能，其中首级消能采用折冲式消能工形式，二级采用底流式消力池形式，消能效果满足工程运行要求；

（2）首级折冲式消能工消能箱分为三段三个区域，分别为：铸钢折冲板段强烈掺气区、上下折流板段能量耗散区和上折流板至尾坎段流态调整区；

（3）经水工模型试验证明该消能方式特别适用于流速较大的工程，其消能率约为70%～90%，较一般底流式消力池高出20%以上。

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表5 价值指数计算表

6 结论

从表5的计算结果可以看出，站址二的价值指数高于站址一。

站址一和站址二均能满足工程总体布置要求和工程设计功能要求。站址一泵站上游引河交汇于瓜洲闸闸下约550m处，闸、站合用一个入江口门，交汇点距入江口约500m，由于瓜洲闸已运行多年，入江口河势已基本稳定，河口冲、淤也已基本平衡，河口淤积问题相对较小，但其上、下游引河较短，水流条件不如站址二，并且由于拆迁安置工作量较大，有可能增加拆迁安置工作的难度，甚至影响到工程顺利实施。

综合考虑各方面因素，瓜洲站工程站址推荐采用站址二。

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T V 32

A

1672-2469（2015）05-0056-05

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.018

姜福基（1956年—），男，高级工程师。