浅析山区河沟多级跌水消能措施的设计

王庆 何锦峰

摘 要：该文针对山区大多数河沟的底坡较陡，流速较大，极易受到坡面洪水的冲刷影响，结合实例，通过设置多级跌水消能措施，分析其消能效果，为山区河道整治及岸坡防护提供设计思路。

关键词：山区河沟；多级跌水；消能措施

中图分类号 X321 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）06-154-02

1 坡面洪水对山区河沟的影响

山区河沟大多数具有流域面积小，流域水系形态单一，河床纵坡较大的特点，河床变形主要以推移质运动为主，加之流域源短流急，河道挟沙能力强，悬移质几乎不参加造床，河床年际间变化不大。

山区河流的河床质多由砾卵石或沙卵石组成，所流经的地区坡面陡峻，径流模数大，汇流时间较短。洪水暴涨暴落是山区河流重要的坡面洪水特点，在暴雨集中地区尤为显著，暴雨与山洪往往同时发生，但一般洪水持续时间不长，降雨过后，河道又恢复原来的低水细流。流量与水位变幅大是山区河流又一个重要的坡面洪水特点。受河床形态及水流条件影响，山区河流水面比降一般都较大，且沿程分布极不均匀，绝大部分落差集中在局部河段。河床上存在急弯、石梁、卡口等滩险，形成很大的横比降，同时山区河流的流态十分险恶，常有回流、漩涡、跌水等现象出现。

2 实例分析多级跌水阶梯消能计算

2.1 实例基本概况 实例位于西南某丘陵山区内，属璧北河右岸一级支流，缙云山山脉北麓小山溪性河流，河沟全流域面积0.73km2，干流长度2.06km，河道比降为197‰。河沟在总平面走线布置时，由于原河道横跨项目建设地，根据项目规划，原河道严重影响了项目的整体推进。综合考虑地块规划和减少工程量，为提高项目区整体防洪能力，改善水生态环境，完善项目区配套建设。本工程河段主要采用护脚挡墙+碾压土石斜坡体护岸（C15混凝土格构护坡）的工程治理型式。考虑到河道纵坡较陡（高差57m），因此，考虑在河道底部设置多级跌水，共计56级阶梯，阶梯宽3m，单级阶梯高差1.6m，每级长度根据河道纵坡确定，长度为2.5～4.5m，末端布置宽顶堰，堰高0.6m，顶部与护脚挡墙顶部齐平，宽0.5m，底板与上一段梯坎末端相接。桩号K0+200.00～K0+459.00段河底全断面采用3.0m宽30cm厚C25钢筋混凝土+10cm厚碎石垫层护底。其布置型式如图1：

2.2 计算方法及条件 整治后河道上游段为阶梯消能工，且为新辟河道，故无法进行建设前后水面线比较，各级跌坎坎顶水位采用多级跌水计算公式进行计算。各级水力要素计算采用上一级跌坎坎顶的水深和行进流速作为边界条件进行计算，其中上游第一级跌坎计算的水位及行进流速，采用水位流量关系中已确定的参数计算。此外，本次河道纵坡较陡，下游最末级跌坎之后的河段，最小纵坡为120‰，根据河道形态、设计洪水流量，建设前后河道断面单宽流量、河床糙率等因素计算，工程河段临界底坡为6.29‰，故本工程河段建设前后均为急流形态。工程建设前，天然水面线采用伯努利方程进行计算，工程建设后，水面线采用分段求和法计算。由此，本次工程河段，根据建筑物具体形式，上游200m河段由于建设了阶梯消能工，采用多级跌水公式计算各级坎顶水深及其他水力要素，属新辟河段，故未计算天然情况水流形态。通过天然河道水面线计算及工程建设后的水面线计算得出，多级跌水消能河段的设计流量为10.8m/s（P=1%）、9.59m/s（P=2%）。

2.3 多级跌水水力学计算 各级跌坎坎顶水位采用多级跌水计算公式进行计算。其计算方法如下：进口为等宽矩形缺口，下为垂直跌水墙，本次跌水水力学要素按照多级跌水计算，跌水跌入消力池后，产生水跃，并通过消力坎再跌入下一级，通过公式计算可以得到每一级的坎顶水深，依据水深及宽度，可以推算每一级坎顶流速值。

水舌后水深hp=D0.22P

收缩水深hc=0.54D0.425P

跃后水深hc″=1.66D0.27P

式中：[D=q2gP3]，q—单宽流量（m3/s）；

第一级，消力坎高c1=1.05hc″-H1

坎定水头[H10=qm2g23]，m根据消力坎型式一般采用矩形实用堰堰流系数m=0.42

坎顶水深[H1=H10-q22ghc2]

后续逐级，同理计算。

其中第一级跌差为P1，Pi为各级跌水墙高度；

如设有消力坎，则第i级跌差=Pi+Ci。

各级水力要素计算采用上一级跌坎坎顶的水深和行进流速作为边界条件进行计算，其中上游第一级跌坎计算的水位计行进流速，采用上游端断面处水位流量关系中确定的参数计算。

2.4 计算结果 本次通过阶梯消能设施建设，以充分降低陡坡段流速，保障河道底坡及护岸的稳定安全。实例河段落差57m，共设56级跌坎，单级跌坎落差1m，其中跌水末端设有消能坎消能，坎高0.60m，根据前述多级跌水水力学计算方法计算各级跌坎水力学要素。根据计算成果可见表1和表2，跌水结合消能坎消能效果较好，能够将流速稳定在一个较为稳定的范围，100a一遇和50a一遇时，阶梯消能段稳定流速分别为由10.8m/s（P=1%）降至2.57m/s，9.59m/s（P=2%）降至2.46m/s。可以看出，多级跌水消能效果较好。

3 结论

通过实例中多级跌水的消能计算，分析了多级跌水在河道消能中起到的重要作用。跌水建筑物将上游渠道（河、沟、水库、塘、排水区等）水流自由跌落到下游渠道（河、沟、水库、塘、排水区等）。根据落差大小，因地制宜地将跌水可做成单级或多级，能明显降低坡面洪水的流速，从而减小河流坡面洪水对底坡及沿线岸坡的冲刷和危害，保护河道岸坡稳定，实现工程措施与生态环境的可持续发展。

参考文献

[1]潘辉.溢洪道多级跌水消能探析[J].水利技术监督，2010，4.

[2]王久晟，程观富.多级跌水消能的消能工计算与试验研究[J].科技论坛，2002，6.

[3]林军等.北方土石山区不同坡度的径流小区水土流失规律研究[J].山东水利，2009，Z1. （责编：张长青）