中小型渠首工程消能工水流特性模型试验研究

鲁一 耿凡坤 戚印鑫 李琳

摘 要：中小型引水渠首工程由闸室、护坦、防冲槽等主体结构组成。通过模型试验，研究分析相同地质条件及同等边界条件下消能工的工作规律，掌握消能防冲槽在无抛石或有抛石工况下消能工的水流特性，为消能防冲工程设计提供参考依据。研究发现：防冲槽内，在无抛石或抛填任何均匀粒径的卵石时，总会存在一个过水流量QX使闸前至护坦末端的沿程流速基本呈正态分布且流速与流量正相关;当防冲槽内无抛石或抛填任何均匀或混合粒径的卵石时，都改变不了流速大小的分布规律。对于一个几何结构不变的消能工，消能防冲槽内无任何抛填物的工况下，其最佳消能能力是一个常数;当防冲槽内有抛填卵石时，任何流量都存在一个使其防冲槽消能效果最好的最佳粒径组合，在最佳粒径组合下的流速就是对下游破坏力最小的安全流速。

关键词：护坦及防冲槽;水流特性;消能防冲;模型试验

中图分类号：TV653 文献标志码：A

doi：10.39691;issn，1000-1379.2021.08.022

引用格式：鲁一，耿凡坤，戚印鑫，等.中小型渠首工程消能工水流特性模型试验研究[J].人民黄河，2021，43（8）：122-129.

Abstract： Small and medium-sized canal head projects are mostly composed of main structures such as lock chamber， apron and anti-scour channel. Through model tests， the working rules of dissipators under the same geological conditions and the same boundary conditions were analyzed， and the flow characteristics of the anti-scour channel whether with ripraps or not were found. The study shows that there will always be a passing water flow QX when there is no boulder or pebbles of any uniform particle size in the anti-flushing channel， which causes the flow velocity from the front of the gate to the end of the tank is nearly a normal fashion， also the flow rate has a positive correlation; the distribution of the flow rate cannot be changed when there is no riprap in the anti-scour channel or any uniform or mixed-size pebbles are filled. For an energy dissipator with the same geometric structure， the best energy dissipation capacity is a constant under no throwing material in the anti-scour channel; when gravel is disposed in the anti-scour channel， there is an optimal particle size combination for the best energy dissipation effect under any flow rate， which means that the flow rate at this particle size is the safe flow rate with the least damage to the downstream.

Key words： apron and anti-scour channel; flow behavior characteristics; energy dissipation; model test

新疆農业是灌溉农业，灌溉用水的80%以上取自地表河流[1]，且绝大部分为多泥沙河流[2]。根据新疆地形特征，其渠首工程多布置在出山口处。由于河道纵比降大，因此渠首引洪时闸后冲刷严重，特别是当来水挟带泥沙时更容易威胁闸室整体安全。新疆渠首工程基本处于低水头运行状态，其消能方式以底流消能为主[3]，利用底部水流发生的水跃进行消能，这样能够获得较高的消能效率[4-5]。

由于河流的含沙量大（且经常出现大粒径卵石、砾石），因此新疆已建低水头渠首工程的防冲槽被冲击破坏严重。台阶式溢洪道作为一种新的消能设施在国内外得到了广泛的应用[6]，但是施工复杂、造价较高，所以在工程实践中，多在海漫末端设置抛石防冲槽进行消能，其效果相对较好，且施工简便、工程造价相对较低[7]。

李江峰等[8]通过物理模型试验研究抛石粒径对防冲槽的影响，分析认为护坦（海漫）末端连接防冲槽处宜设置垂直深隔墙，防冲槽内的上游坡坡比以1∶3～1∶6、下游仰坡坡比以1∶5～1∶10（其坡度趋于缓坡）为宜，冲坑深度计算公式建议采用水闸设计规范公式。

基于有关学者已有的研究成果[8-9]，就消能工的设计领域而言，研究掌握消能工的水流特性对渠首工程消能工的设计至关重要。

1 模型试验

1.1 试验目的

通过物理模型试验[10]，研究分析相同地质条件及同等边界条件下消能工的工作规律，掌握消能防冲槽在无抛石或有抛石工况下消能工的水流特性。

1.2 试验工况

（1）消能防冲槽无抛石试验。消能防冲槽内无任何抛填物，按流量Q=220 m3/s、Q=300 m3/s、Q=400 m3/s三种工况进行试验。

（2）消能防冲槽有抛石试验。向消能防冲槽内抛填均匀粒径或混合粒径的卵石进行试验。试验工况组合方案见表1。

1.3 模型设计

1.3.1 模型几何结构

①模型比尺：1∶30;②模型几何尺寸：主体模型段长为6 111 mm，上下游河床连接总长度为23 500 mm，主体模型段（上游连接段、闸室、护坦、防冲槽、下游河床、沉沙池）净宽900 mm，退水渠净宽700 mm;③原型尺寸：主体原型长度为18 333 mm，主体原型宽度为27 000 mm;④模型总体占地面积：35.99 m2。

模型平面布置具体情况见图1。

1.3.2 原型典型流量的选择

新疆共有大小河流500余条，年径流量在0.74亿～2.39亿m3之间的河流有100余条。在这些河流上修建引水渠首，其泄洪流量多数在200～410 m3/s之间。

根据目前的工程实际，并结合试验条件，最终选取典型流量Q=220 m3/s、Q=300 m3/s、Q=400 m3/s为试验流量。对应的单宽流量分别是8.15、11.11、14.81 m2/s。洪水历时都为1 h。

2 试验成果及分析

2.1 消能防冲槽内无抛石试验

（1）流速沿程变化情况。流速沿程变化情况见表2。由表2可知，当来水流量Q=220 m3/s时，水流自闸前至护坦末端，其沿程流速基本是正態分布，流速与流量正相关;当来水流量Q=300 m3/s、Q=400 m3/s时，闸前水面平稳，左、中、右水位基本一致;当来水通过闸前0+012断面进入闸室时，由于过水断面收缩，闸室水位略高;当来水过闸后，中间水位略低;当来水进入护坦（0+022断面）时，其流速逐渐增大;当洪水抵达护坦末端（0+037断面）未进入消能防冲槽时，流速增至最大;当来水进入消能防冲槽后，水流在槽内形成水跃，水跃消耗了来水的大量动能，水流流速锐减。

由此可知，几何结构不变的消能工，在防冲槽内无任何抛填物的工况下，就沿程流速大小分布而言，最大流速总是发生在护坦的下游边缘与消能防冲槽的上游边缘交线重合处0+037断面;最小流速发生在防冲槽底面平坡与反坡起坡的交线0+047断面。

（2）水深沿程变化情况。水深沿程变化情况见表3。由表3可知，几何结构不变的消能工，同一断面的水深与其来水流量正相关。当防冲槽内无任何抛填物时，在任何流量状态下，就其沿程水深而言，护坦水深总是最小;最小水深总是发生在护坦的下游边缘与消能防冲槽的上游边缘交线重合处0+037断面。

（3）来水流量与过水收缩断面及水跃断面位置的关系。不同来水流量收缩断面及水跃断面位置见表4。由表4可知，几何结构不变的消能工，在防冲槽内无任何抛填物的工况下，其防冲槽内的过水收缩断面及水跃断面的位置与来水流量的关系为：来水流量越大，其槽内的收缩断面与水跃断面出现的位置越向上游。

（4）水流能量沿程变化情况。在消能工中，两断面之间的能量转化遵循如下方程式：

式中：g为重力加速度，m/s2;h为垂直高度，m。

护坦沿程水流能量变化情况：护坦的上游断面（护坦的上游边线与闸室的下游边线重合线0+022断面称为护坦的上游断面，下同）与护坦的下游断面（护坦的下游边线与消能防冲槽的上游边线重合线0+037断面称为护坦的下游断面，下同）之间的高差h=1.50 m，能量变化具体情况见表5。

由表5可知，当Q=220 m3/s、Q=400 m3/s时，水流经过护坦时能量沿程增加;当Q=300 m3/s时，水流经过护坦时其能量沿程减小;来水流量与护坦末端的能量增量及其能量增量的占比关系不明显。

由此可知，对于一个几何结构不变的消能工，如果防冲槽内无任何抛填物，在护坦末端总是存在一个最小的能量增量，这个流量下的流速即最佳流速。

防冲槽内水流能量变化情况：防冲槽的进槽断面（护坦的下游边线与防冲槽的上游边线重合线0+037断面称为防冲槽的进槽断面，下同）与防冲槽的出槽断面（防冲槽的下游边线与河床的上游边线重合线0+070.32断面称为防冲槽的出槽断面，下同）之间的高差h=0.34 m，水流能量变化具体情况见表6。

由表6可知，当防冲槽内无任何抛填物时，来水流量与防冲槽内的消能效果正相关，与消能占比负相关。

成果表明，虽然来水流量增大，防冲槽的消能能力也会增加，但总的消能效果是由防冲槽的消能能力及消能占比这两个因素决定的。

由此可知，对于一个几何结构不变的消能工，当防冲槽内无任何抛填物时，防冲槽内总是存在一个消能能力及消能占比相匹配的最佳消能来水流量。

2.2 消能防冲槽内有抛石试验

2.2.1 均匀粒径抛石

（1）流速沿程变化情况。流速沿程变化情况见表7。由表7可知，当Q=220 m3/s时，无论向防冲槽内抛填任何粒径的均匀卵石，其水流自闸前至护坦末端，沿程流速基本是正态分布，流速与来水流量正相关，这与防冲槽内无任何抛填物（Q=220 m3/s）时相同;当Q=300 m3/s、Q=400 m3/s时，无论向防冲槽内抛填任何粒径的均匀卵石，闸前至护坦末端的流速沿程变化规律与防冲槽内无任何抛填物（Q=300 m3/s、Q=400 m3/s）时相同。

由此可知，对于几何结构不变的消能工，无论向消能防冲槽内抛填任何粒径的均匀卵石，都不能改变闸前至护坦末端的流速沿程变化规律。

（2）水深沿程变化情况。水深沿程变化情况见表8。由表8可知，对于一个几何结构不变的消能工，无论向防冲槽内抛填任何均匀粒径的卵石，其同一断面的水深与来水流量正相关，这与防冲槽内无任何抛填物时相同。就其沿程水深而言，也与防冲槽内无任何抛填物时相同。

（3）来水流量与过水收缩断面及水跃断面位置的关系。

来水流量与过水收缩断面及水跃断面的位置见表9。由表9可知，在防冲槽内抛填均匀粒径的卵石时，其防冲槽内过水收缩断面及水跃断面的位置与来水流量的关系为：来水流量越大，其槽内的收缩断面与水跃断面出现的位置越向下游;来水流量越小，其槽内的收缩断面与水跃断面出现的位置越向上游。这种现象与无抛石工况恰恰相反。出现这种情况的主要原因是：当防冲槽内无任何抛填物时，防冲槽的下游墙对来水形成一个反作用力，这个反作用力的大小决定了来水流量与过水收缩断面及水跃断面的位置。來水流量越大，其流速就越大，对防冲槽下游墙的冲击力亦越大，反作用力也越大，这样就会出现来水流量越大，槽内的收缩断面与水跃断面出现的位置越向上游;当槽内被充填物填充满后，防冲槽的下游墙对来水的反作用力大大削减或基本消失，所以就会出现来水流量越大，其槽内的收缩断面与水跃断面出现的位置越向下游。

（4）水流能量沿程变化情况。护坦沿程水流能量变化情况：护坦的上游断面与护坦的下游断面之间的高差h=1.50 m，其水流能量沿程变化情况见表10。

由表10可知，当防冲槽内抛填均匀粒径Φ=400 mm、Φ=800 mm时，护坦末端的水流能量增量与来水流量正相关;当防冲槽内抛填均匀粒径Φ=500 mm时，护坦末端的水流能量增量与来水流量关系不明显。当防冲槽内抛填均匀粒径Φ=400 mm、Φ=500 mm时，护坦末端的水流能量增量占比与来水流量负相关;当防冲槽内抛填均匀粒径Φ=800 mm时，护坦末端的水流能量增量占比与来水流量正相关。

就水流能量增量占比而言，当防冲槽内抛填均匀粒径Φ=400 mm时，护坦末端能量增量占比在64%～87%之间;当Φ=500 mm时，护坦末端能量增量占比在60%～94%之间;当Φ=800 mm时，护坦末端能量增量占比在51%～66%之间。

这就说明，对于一个几何结构不变的消能工，任何来水流量都存在一个最佳消能占比。也就是说，总会存在一个相对应的最佳均匀粒径，使护坦末端的水流能量增量最小。

防冲槽沿程水流能量变化情况：防冲槽的进槽断面与防冲槽的出槽断面之间的高差h=0.34 m，水流能量变化具体情况见表11。

由表11可知，当防冲槽内抛填均匀粒径时，无论均匀粒径如何变化，其内部消能效果与来水流量正相关。当防冲槽内抛填均匀粒径Φ=400 mm、Φ=500 mm时，其内部消能效果占比与来水流量正相关;当抛填均匀粒径Φ=800 mm时，其内部消能效果占比与来水流量关系不明显。

就消能占比而言，当防冲槽内抛填均匀粒径Φ=400 mm时，防冲槽内的消能占比在57%～74%之间;当抛填均匀粒径Φ=500 mm时，防冲槽内的消能占比在51%～75%之间;当抛填均匀粒径Φ=800 mm时，防冲槽内的消能占比在26%～30%之间。

这就说明，对于一个几何结构不变的消能工，任何来水流量都存在一个最佳消能占比。也就是说，总会存在一个相对应的最佳均匀粒径，使其防冲槽内的消能效果最好。

2.2.2 混合粒径抛石

（1）流速沿程变化情况。流速沿程变化情况见表12。由表12可知，当来水流量不同，且在防冲槽内抛填不同粒径的混合卵石时，水流自闸前至护坦末端沿程流速情况为：闸前水面平稳，左、中、右水位基本一致;当来水通过闸前0+012断面进入闸室时，由于过水断面收缩，因此闸室水位略高;当来水过闸后，中间水位略低;当来水进入护坦（0+022断面）时，其流速逐渐增大;当洪水抵达护坦末端0+037断面，未进入消能防冲槽时，流速增至最大;当来水进入消能防冲槽后，水流在槽内形成水跃，水跃消耗了来水的大量动能，流速锐减。这与来水流量Q=300 m3/s、Q=400 m3/s防冲槽内抛填均匀粒径时的流速分布特点相同。

就沿程流速大小分布而言，护坦段在任何流量状态下，其水流速度总是最大。最大流速总是发生在护坦下游边缘与消能防冲槽上游边缘的交线0+037断面，最小流速发生在防冲槽中的内底面平坡与反坡起坡的交线0+047断面。

也就是说，消能工几何结构尺寸不变的情况下，无论向防冲槽内抛填任何粒径的卵石，都改变不了闸前至护坦末端的流速分布规律。其规律与无抛填物工况时相同。

（2）水深沿程变化情况。水深沿程变化情况见表13。由表13可知，几何结构不变的消能工，防冲槽内抛填任何混合粒径的卵石工况下，同一断面的水深与来水流量正相关。

就其沿程水深而言，在任何流量状态下，其护坦段水深总是最小，最小水深总是发生在护坦的下游边缘与消能防冲槽的上游边缘交线重合处的0+037断面。这与向防冲槽内抛填任何均匀粒径或无任何抛填物时相同。

由此可知，消能工几何结构尺寸不变的情况下，防冲槽内抛填或不抛填任何粒径的卵石，都改变不了闸前至护坦末端的水深分布规律。

（3）流量与过水收缩断面及水跃断面位置的关系。流量与过水收缩断面及水跃断面的位置见表14。由表14可知，在防冲槽内抛填不同混合粒径的卵石时，其防冲槽内过水收缩断面及水跃断面的位置与来水流量关系为：来水流量越大，槽内的收缩断面与水跃断面出现的位置越向下游。这一规律与抛填均匀卵石时相同。

（4）水流能量沿程变化情况。护坦沿程水流能量变化情况：护坦的上游断面与护坦的下游断面之间的高差h=1.50 m，水流能量变化具体情况见表15。由表15可知，当防冲槽内抛填混合粒径的卵石时，无论组合粒径如何变化，护坦末端的能量增量与来水流量正相关;当防冲槽内抛填混合1组或混合2组卵石时，护坦末端的能量增量占比与来水流量负相关;当防冲槽内抛填混合3组卵石时，护坦末端的能量增量占比与来水流量关系不明显。

就能量增量占比而言，当防冲槽内抛填混合1组卵石时，能量增量占比在60%～83%之间;当抛填混合2组卵石时，能量增量占比在63%～86%之间;当抛填混合3组卵石时，能量增量占比在69%～78%之间。这说明，对于一个几何结构不变的消能工，任何来水流量都存在一个相对应的最佳混合粒径组合，使其护坦末端水流能量增量最小。

防冲槽沿程水流能量变化情况：防冲槽的进槽断面与防冲槽的出槽断面之间的高差h=0.34 m，能量变化具体情况见表16。由表16可知，当防冲槽内抛填混合粒径卵石时，无论组合粒径如何变化，其内部消能效果及消能效果占比与来水流量正相关。

就消能占比而言，当防冲槽内抛填混合1组卵石时，消能占比在61%～75%之间;当抛填混合2组卵石时，消能占比在54%～75%之间;当抛填混合3组卵石时，消能占比在57%～76%之间。这说明，对于一个几何结构不变的消能工，任何来水流量下，防冲槽内总会存在一个最佳消能占比，也就是说，总会存在一个相对应的最佳混合粒径组合，使防冲槽内的消能效果最好。

3 结 论

通过物理模型试验对比防冲槽无抛石和抛填均匀粒径与非均匀粒径卵石试验成果，对试验成果进行分析得到几何结构不变的消能工水流特性如下。

（1）消能工的沿程流速：当防冲槽内无抛石或抛填任何均匀粒径的卵石时，总会存在一个过水流量QX使闸前至护坦末端的沿程流速基本呈正态分布且流速与流量正相关。就消能工而言，无论来水流量如何变化，当防冲槽内无抛石或抛填任何均匀粒径的卵石时，消能工的沿程流速与过水流量正相关，但流速大小的分布规律不变。

（2）消能工的沿程水深：防冲槽内无抛石或抛填任何均匀或混合粒径的卵石时，在任何来水流量工况下，其护坦水深总是最小，最小水深总是发生在护坦的末端断面，同一断面的水深与其过水流量正相关。

（3）消能工过水流量与过水收缩断面及水跃断面位置的关系：无抛石时，过水流量越大槽内的收缩断面与水跃断面出现的位置越向上游，水流量越小槽内的收缩断面与水跃断面出现的位置越向下游;有抛石时，其位置关系的规律与无抛石时规律恰恰相反。

（4）护坦段水流能量沿程变化：当防冲槽内无任何抛填物时，护坦段总是存在一个使护坦末端产生最小能量增量的过水流量，这個流量下的流速即最佳流速;当防冲槽内有抛填物时，任何过水流量都存在一个使护坦末端的能量增量最小的最佳粒径组合。

（5）当防冲槽内无任何抛填物时，防冲槽内总是存在一个消能能力与消能占比相匹配的最佳消能过水流量。也就是说，对于一个几何结构不变的消能工，消能防冲槽内无任何抛填物的工况下，其最佳消能能力是一个常数;当向防冲槽内抛填卵石时，任何流量都存在一个使其防冲槽消能效果最好的最佳粒径组合，这个粒径下的流速就是对下游破坏力最小的安全流速。

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