阶梯式消能工在排洪渠中的应用研究

田 杰

（山西省水利水电科学研究院 山西太原030002）

1 工程概况

山西中铝合金铝项目排洪渠工程位于山西省兴县瓦塘镇岚漪河南侧低山丘陵上。工程主要有地下排水盲沟工程、地表排洪渠工程、挡土坝及弃土场四部分组成。受地形条件限制，排洪渠线路需穿过坝体，沿下游坝坡布设消能设施，将排洪渠内的洪水排入下游河道内。泄槽坡度为1∶3，泄槽长度约220 m，台阶断面泄槽宽度为14 m，台阶尺寸按长度3 m，高度1 m 及长度1.8 m、高度0.6 m 两个方案考虑。

2 模型设计

模型按重力相似准则设计[1]，考虑到模型大厅场地等条件限制，选用几何比尺为1∶40 的整体正态水工模型[2]。模型采用有机玻璃制作，可满足糙率相似要求。模型包括上游供水段、模型试验段及回水段三部分，模型有效长度10 m。

整个模型由缓坡段（桩号0+296.41～0+465.09）、陡坡段（桩号0+465.09～0+664.29）、消力池（桩号0+664.09～0+684.29）等部分组成。总占地面积约20 m×60 m。阶梯式消能工模型布置详见图1。

3 模型试验工况

由于设计单位提出了两个台阶断面方案，因此本模型试验也分别按照两个断面方案进行了流态观测和流速以及水面线数据等水力学参数的量测，方案一台阶尺寸按长度3 m，高度1 m 设计制作，方案二台阶尺寸按长度1.8 m、高度0.6 m 设计制作。

4 试验结果分析

4.1 沿程水面线

试验中首先对100年一遇设计（洪峰流量为80.2 m3/s）条件下两个方案的水面线进行了量测，对水面线进行量测可以对排洪渠泄槽段的沿程水深变化规律进行分析，掌握泄槽内水面横向以及纵向分布特点，判断泄槽边墙高度是否合理。

图1 阶梯式消能工模型平面布置图

方案一中，进口段（桩号0+296.41 至0+346.41）水面较为稳定，水深逐渐降低，弯道段（桩号0+346.41至0+409.92）受转弯影响，左侧水面高于右侧水面，水面整体雍高，平均水深为1.97 m，至桩号0+465.09 水深降至1.46 m。陡坡段随着流速增大，水深降低，在第一级陡坡前半段水面高程接近渠顶高程，在第二级陡坡前半段水面高程也接近渠顶高程。方案二的水面线变化规律和方案一基本一致，水面线均未超过边墙高度，能够满足排洪渠泄水要求。

4.2 水流流态

在试验中对于两个方案在设计流量下的水流流态进行了观测，方案一中，进口段（桩号0+296.41 至0+346.41），该段过水断面从梯形渐变为矩形，水流流态较为稳定、平顺，但有一定的波动和折冲。转弯段（桩号0+346.41 至0+409.92）受弯道水流影响，水面波动较大。

矩形直线段（桩号0+409.92 至0+462.41）水流在该段流态逐渐均匀平稳。陡坡段（桩号0+462.41 至0+664.29）下泄水流表面流态稳定，底部水流受到台阶作用，逐渐形成稳定的水流漩涡，而漩涡的强度与台阶式陡坡的坡度和台阶尺寸有关，水流表面流线与底部水流基本平行，水面波动较小，而漩涡则发生在接近台阶立面处，在陡坡段的下游，水流漩涡波动较大，而表面水流流态也产生了一定的波动。

漩涡从第一级陡坡中段（桩号0+513.09）开始出现，位置紧贴台阶立面，约占整个台阶长度的1/3，越往下游，漩涡尺寸逐渐变大，约占整个台阶长度的1/2，漩涡的旋转方向在与主流接触的一侧，同主流流动方向一致，而主流受漩涡影响，出现较强的水力波动，流态不太稳定。桩号0+664.29 处，陡坡下泄水流流速达到最大，在消力池前端产生水跃，后端水流波动较大。

方案二中，进口段（桩号0+296.41 至462.41）由于和方案一相比并未发生任何改动，因此其水流流态与方案一基本相同。

与方案一相比，陡坡段（桩号0+462.41 至0+664.29）下泄水流表面流态也比较稳定，由于台阶尺寸较方案一变小，底部水流受到台阶作用的影响也相应减弱，第一级陡坡段前部并未出现漩涡，在第一级陡坡段后部开始逐渐形成小的水流漩涡，而表面水流受到底部漩涡干扰较小，波动也相应不是很大。下泄水流在消力池前端产生表面水跃，后端水流波动较大，其流态与方案一基本相同。

4.3 水流流速

通过对方案一流速量测结果可知，进口段（桩号0+296.41 至0+346.41），流速逐渐增大，桩号0+296.41处平均流速2.99 m/s，最大流速3.25 m/s，左侧流速较大，桩号0+316.41 处平均流速4.31 m/s，最大流速4.38 m/s，流速分布基本均匀，桩号0+326.41 处平均流速4.91 m/s，最大流速5.41 m/s，右侧流速偏小。

弯道段受弯道水流影响，水位逐渐增加，流速相应随之降低，桩号0+346.41 平均流速5.35 m/s，最大流速5.47 m/s，流速分布较为均匀，弯道中部平均流速2.65 m/s，最大流速3.22 m/s 出现在左侧，右侧水位雍高，流速为1.57 m/s，流速分布不均匀；弯道末端桩号0+409.92 平均流速2.67 m/s，最大流速3.02 m/s，右侧流速1.97 m/s，流速分布依然不太均匀。

在矩形直线段弯道水流逐步调整，桩号0+465.09平均流速5.79 m/s，最大流速6.37 m/s 出现在中间，两侧流速分布较为均匀。

陡坡段水面下降，流速较上游段有所增大，但因为受台阶消能作用，陡坡段流速并非逐渐增大，而是随台阶消能情况而相应变化，第一级陡坡中段平均流速11.50 m/s，流速分布较为均匀，第一级陡坡末端桩号0+567.09 平均流速11.42 m/s，最大流速11.98 m/s。第二级陡坡起点桩号0+567.09 平均流速8.73 m/s，最大流速10.70 m/s，两侧流速分布不均匀，第二级陡坡中段平均流速10.11 m/s，最大流速11.04 m/s，左右流速分布较为均匀。

第二级陡坡段末端即消力池起点（桩号0+664.29）平均流速为10.88 m/s，最大流速为11.88 m/s出现在右侧，左侧流速偏小；消力池末端（桩号0+684.29）平均流速2.47 m/s，最大流速3.95 m/s 位于中间底部。

在陡坡段（桩号0+465.09）上游，流速逐渐增大，从2.99 m/s 增加为5.79 m/s，而在第一级陡坡段，流速从5.79 m/s 增加为11.42 m/s，第二级陡坡段，流速从8.73 m/s 增加为10.88 m/s，从整个陡坡段分析，流速增加不多，消能效率较高。

在方案二中，上游段（桩号0+296.41 至0+465.09），流速情况与方案一相同。桩号0+465.09 平均流速5.43 m/s，最大流速5.95 m/s 出现在左侧，右侧流速偏低。

陡坡段水面下降，流速较上游段有所增大，但因为受台阶消能作用，陡坡段流速并非逐渐增大，而是随台阶消能情况而相应变化，第一级陡坡中段平均流速11.17 m/s，流速分布较为均匀，第一级陡坡末端桩号0+567.09 平均流速9.91 m/s，最大流速10.20 m/s。第二级陡坡起点桩号0+567.09 平均流速9.49 m/s，最大流速9.87 m/s，两侧流速分布较为均匀，第二级陡坡中段平均流速10.71 m/s，最大流速11.31 m/s，位于右侧，左侧流速较小。

第二级陡坡段末端即消力池起点（桩号0+664.29）平均流速为11.62 m/s，最大流速为12.78 m/s出现在右侧，左侧流速偏小；消力池末端（桩号0+684.29）平均流速2.77 m/s，最大流速3.47 m/s 位于右侧。

5 结论

1）试验结果表明，当水流进入台阶式陡坡后，水体开始逐步掺气，第一级陡坡前半段掺气效果不明显，水体无漩涡效果，当水体进入后半段后，随着势能转化为动能，水流流速增加，掺气效果逐渐明显，在台阶后水体旋滚也开始充分起来，消能效果提高，在设计流量Q=80.2 m3/s 下，两种方案的消能效果均比较好，消力池跃前断面流速均不超过12 m/s。

2）消能效率受很多因素影响，如单宽流量、水流流态，坡度及台阶高度和长度、台阶个数及渠道断面尺寸。在本试验中，两个方案其单宽流量、坡度及渠道断面尺寸均保持不变，只有台阶高度和长度及台阶个数发生变化，通过试验对两个方案进行比较，第一方案（台阶长3 m，高1 m）相对消能效率更高，但在陡坡上水流波动更大，水流流态也更为复杂，台阶表面受到的压力变化也更大，因此需要综合考虑施工、安全等因素选择合适的设计方案。

3）在两个方案中，两级陡坡前半段水位均接近边墙高度，因为陡坡段坐落在土基上，从安全角度考虑应进行调整。

4）试验表明，水跃基本上发生在消力池前端，消力池体型尺寸可满足设计要求，但局部位置水位超过原边墙设计高度，可根据试验成果对边墙高度进行调整。