支流汇入干流后稳流消能设计研究

轩旭红

（北京中水利德科技发展有限公司，北京 100071）

根据《第一次全国水利普查公报》［1］数据，我国流域面积50 km2及以上河流共有45203 条， 其中流域面积10000 km2及以上河流228 条，干流及支流总长13.25 万km。河流水系由干流、若干支流、大小湖泊组成，这些河流大多发源于山区或流经山区，当支流汇入干流时，往往形成交汇河口地形。因交汇河口处自然条件复杂，致使水流紊乱、多变，并受地质条件、推移质堆积、泥石流等因素影响，重塑河形，极易形成浅滩、深槽。山区河流流经丘陵山谷地带，河道纵坡大，汇流速度快，洪峰历时短、强度大，洪峰陡涨陡落，枯水时间较长，年内径流变化大，其支流分布密度较小，而平原河道的特征正好与山区河道相反。

支流汇入干流大致可分为两类， 一类是支流非对称接入干流，河道衔接平顺，仅支流弯曲；另一类是对称接入干流，或称为“Y”形交汇，此类接入方式在支流接入前，支流与干流均发生弯曲，支流汇入类型中“Y”形交汇占比相对较大。由于两股水流交汇时流态复杂，水流发生互相冲击、摩擦、挤压、顶托等作用，水流能量消散集中，造成河底冲刷、堤岸淘刷等现象。

鉴于此， 为解决崇礼太子城冰雪小镇防洪工程设计中防洪暗渠支流汇入防洪暗渠干流的消能、流态及水面衔接等问题，保障防洪工程安全，通过物理模型试验及数值计算， 分析研究支流汇入干流稳流消能特点，验证数值计算结果，很好地解决了工程设计难题，达到了预期效果。

1 概况

太子城冰雪小镇位于崇礼中心城区东部， 以太子城村为中心，规划人口5000 人，总面积为303 hm2，其中非建设用地水域12.73 hm2， 建设用地总面积290.45 hm2，城市建设用地288.88 hm2，区域交通设施用地1.57 hm2。

进入太子城冰雪小镇的主要行洪河道为2 号沟，另有4 条较大支沟在规划建设区汇入2 号沟，分别为1 号沟、3 号沟、4 号沟及5 号沟，以上沟道形成了该区域现状排洪体系。河道现状位置如图1。

图1 河道现状位置示意图

因工程属地地形高差较大，根据规划要求，需要将进入建设区的1～5 号沟的大部分沟段做成暗沟，在纵坡较陡汇流条件苛刻的条件下， 既要解决好支流汇流问题还要畅排。除3 号沟外，其余沟道通过明渠或涵管接入2 号沟，或接入2 号沟明渠段，技术难度相对较低。3 号沟汇入2 号沟位置为暗涵接入暗涵，形成一处Y 形交汇点，此处是工程能否达到预期效果的关键，处理不好会对汇流设施造成结构破坏、水流不畅、水流衔接不好、水位回升过高闷住下游暗涵进口等问题，为核心区防洪排水留下安全隐患，鉴于此，设计了稳流消能池，并做了数值计算与模型试验等工作。

2 稳流消能池设计与数值计算

2.1 两条沟概况

2 号沟为经过冰雪小镇的主沟，发源于崇礼新洞坑村，河道流向自东北向西南，沿途纳入多条山区支流，上游支流众多，沟形明显。在太子城遗址（位于3号沟与5 号沟之间，2 号沟北侧）南至遗址西段河道紧邻太子城遗址保护范围， 采用钢筋混凝土箱涵穿越，汇入前断面尺寸为2 孔3.5 m×3 m（宽×高），汇入后断面尺寸为3 孔4 m×3 m（宽×高）。

3 号沟发源于崇礼棋盘梁村，河道汇集流域径流而成，流经太子城遗址公园后向南，沿着遗址公园南侧绕行向西以2 孔3 m×3 m（宽×高）钢筋混凝土箱涵和2 号沟Y 字行交汇于稳流消能池。

2.2 稳流消能池设计

2 号沟和3 号沟的交汇衔接设计采用Y 字型稳流消能池，为钢筋混凝土结构，由上游连接段、稳流消能池及下游过渡段组成。上游连接段长度20 m，其作用是将2 号沟两孔3.5 m×3 m（宽×高）箱涵与3 号沟2 孔3 m×3 m（宽×高）箱涵水流流向逐步过渡到与下游3 孔4 m×3 m（宽×高）的2 号沟中心线平行。稳流消能池长度为24.8 m， 由中间隔墙分为2 个主要消能池，中隔墙上设3 个宽1.8 m 高3.9 m 的城门洞型平压稳流联通廊道，中隔墙未段设高0.8 m 的消力坎， 再设平压稳流池， 便于水流与下游3 孔10 m长箱涵过渡， 过渡段箱涵高度由4 m 过渡到3 m。平面布置如图2。

图2 消能池平面布置图

2.3 水力学数值计算

根据项目实际情况及工程布置， 此处水力学数值计算采用《水力计算手册（第二版）》［2］中单级跌水公式及明渠恒定非均匀渐变流基本微分方程分别计算水深及流速：

式中hc为收缩水深；hc''为跃后水深；lj为水跃长度；s 为池深；ht为下游渠道正常水深；Es为断面比能；i为河底纵坡。

通过相关水力学数值公式计算结果如表1。

表1 不同工况数值计算成果

通过对比上述计算结果， 水流入池后较入池前流速变小，虽水深变大，但仍低于出池处方涵高度，为自由出流。由此可见，稳流消能池能够很好地消能平压稳流，利于水面衔接过渡，不会造成池尾水位过高，导致下游暗涵进口闷孔水流不畅。

因冰雪小镇防洪标准较高， 核心区大部分防洪工程均为暗涵结构，为慎重起见，设计人员进行水工模型试验，来验证水力学计算。

3 模型试验验证

3.1 水工模型试验验证

3.1.1 模型设计

模型试验研究不同频率洪水组合作用下Y 字形消能池的消能效果、流态及水面衔接过渡，为工程设计优化提供参考。 模型搭建按照Y 字形混流消能池设计，建立室内物理模型，并根据项目区防洪规划，确定模拟试验工况，通过测定水流入池前后水深、断面平均流速等水力学参数，分析汇流处、消能池及出池水流流态， 最后通过计算不同试验工况下断面能量及Y 字型消能池消能效率，验证工程效果。

本项目主要研究Y 字型消能池的水流流态及消能效果，根据水流为重力起主要作用的水流特点，试验模型按重力相似准则进行设计， 同时保证模型水流流态与原型水流流态相似。

（1）模型比尺。依据SL99—2012《河工模型试验规程》［3］建立正态模型，结合试验场地、设备供水能力及模型要求的最小水深， 确定模型试验的模型比尺为λL=25。各参数比尺如下：

①水深比尺：λh=λL=25

②流量比尺：λQ=λ2.5L=3125

③流速比尺：λV=λ1/2L=5

④时间比尺：λt=λ1/2L=5

（2）模型流量。本项目洪水资料采用已被专家评审通过的水文复核分析报告及太子城区域防洪工程规划结论，两种不同频率洪水参数如表2。

表2 不同频率洪水参数

（3）试验量测设备。试验过程中，利用薄壁三角量水堰测定流量，用测针测定水位，借助于N-8130型号小威龙实验室， 用点式流速仪测量确定不同点的流速。

3.1.2 试验情景构建

根据项目区相关规划及设计资料， 试验过程中洪水资料采用表1 中2 号沟与3 号沟50 年一遇、100 年一遇频率下洪水参数。 考虑最不利条件及水文不同步现象， 确定试验工况主要包括5种不同频率洪水组合方案，如表3。

表3 不同频率洪水组合方案

为了便于观察2 号沟或3 号沟在单独泄洪时，Y 字型消能池内、2 号沟下游水流流态变化情况，同时模拟2 号沟或3 号沟在单独泄洪工况下的极端状况。

通过量测发生不同频率洪水时各水力学参数，分析Y 字型消能池内水流的流态变化； 通过测定不同频率洪水入池前、出池后的水位，以及同一断面不同位置的水流流速，得出断面平均流速，进而得出消能池内水流的消能率， 研究消能池内水位对入池水流、出池水位的影响状况。

3.1.3 消能效率分析方法

单位时间内能量损失分析采用下列公式：

式中 E进，E出为单位时间内消能池进口、 出口总能量；Q1，Q2为单位时间内2 号沟与3 号沟流入消能池的流量；z1，z2为2 号沟与3 号沟流入消能池处水深；z3为消能池出口水深；p1，p2为2 号沟与3 号沟流入消能池处压强；p3为消能池出口压强；v1，v2为2 号沟与3 号沟流入消能池流速；v3为消能池出口流速；Kj为消能效率。

3.2 试验结果分析

3.2.1 水面线及流速特征

根据试验所测水面线及流速分布特征观测值如表4、表5。

表4 不同工况下水面线特征值

由表4、表5 可知，不同工况下在Y 字型消能池入口处，2 号沟与3 号沟的入池水流平稳，入池水流不受消能池内水位顶托影响，形成自由泄流。水面线变化连续稳定， 最大水深为3.71 m， 最小水深为3.11 m。 在工况1 条件下水位衔接最优，2 号沟与3号沟在池中最高水位相同。随着工况变化，在消能池内，流量增大一侧池内水流翻滚较剧烈，水跃现象较前一工况明显，池中最高水位均有所增加，水位变化明显，但仍小于出口暗涵内顶高程。

由于2 号沟与3 号沟流量、纵坡不同，不同工况下，入池前流速相差较大，最大流速为2 号沟入池前流速，达到7.64 m/s，最小流速为3 号沟入池前流速，达到4.21 m/s， 出池流速介于两条沟入池流速之间，跃后断面流速得到重新分布。

3.2.2 消能效率特征

在不同工况条件下，Y 字型消能池入口处、池身段及出口处水深、流速、消能率等参数的模型值数据如表6。

表6 不同工况下消能效果特征值

由表6 可知， 不同工况下在入池水流不受消能池内水位顶托影响，形成自由泄流。受消能池中间隔墙的作用，两股水流在各自区域内形成水跃。水流在稳流消能池内主流区较大动能冲向下游， 漩滚区起到消能作用，跃后断面水流能量消减。在工况4 条件下消能效率最低，为36.30%；在工况3 条件下消能效率最高，为39.79%。各工况条件下稳流消能池均起到稳流消能作用， 不同工况下出池水流均无闷孔现象，下游水位无顶托影响，不影响水流下泄。

3.2.3 下游暗涵流量特征

水流进入下游后， 出口3 孔暗涵由于受到消能池内导墙，坎后稳流池的长度及上游来流共同影响，出池水流进入下游暗涵时， 在中间孔两股水流发生交叉混掺，水流以菱形波形式向下游传播，3 孔暗涵流量分布不均。

不同工况条件下， 下游3 孔暗涵左岸边孔水流流量最大， 而中间孔水流受消能池内两股水跃混掺碰撞，水面波动较大，出池水流最高水位与最低水位差值最大为0.70 m，发生在工况4。中间暗涵过水断面流速分布不均匀，流量介于左、右边孔之间。

3.2.4 特殊工况

2 号沟或3 号沟单独泄洪，该工况只在极端条件下才有可能出现， 泄洪时弯道水流跟2 号沟与3 号沟组合频率泄洪洪水状况一样， 区别在于消能池内水流流态。

单独泄洪时，由于水流存在横向扩散，单宽流量减小，但池内隔墙横向分流效果不明显，未泄流侧消能池内水流波动较小，并存在回流区。泄流侧水流直接冲过消能池，越过消能坎，消能坎对水流的阻水作用不明显，水流无法在消能池内形成水跃。坎后水流来不及稳定，直接冲入下游暗涵，使流量集中在边侧暗涵。

3.3 试验结论

通过数值计算和模型试验工况1 至工况4 都有可能发生，工况5 不可能发生，因2、3 号沟处于同一水文分区，发生概率较大是工况1 和工况4 的同频组合，工况2 与工况3 也有可能发生。主要结论如下：

（1）由于消能池深度和坎高不足以使消能池内水流形成完全水跃，致使跃后波动较大，消能坎后水流进入稳流池仍具有较大动能。经过计算分析，Y 字型消能池的消能率在36.30%～39.79%。 在不同工况条件下， 消能池内水位不影响2 号沟暗涵和3 号沟暗涵泄流。

（2）消能池下游3 孔暗涵段流量分布受上游2 号沟、3 号沟来流影响，中间孔洞在隔墙、稳流池与下游导墙的综合作用下，水面混掺较剧烈，波动较大，出池水流最高水位与最低水位差值最大为0.70 m，发生在2 号沟、3 号沟100 年一遇洪水时。

（3）2 号沟或3 号沟单独泄洪时，泄流侧消能池内水流为急流区。消能坎的设置对水流的影响较小。由于越过消能坎的水流动能较大， 直接冲入下游暗涵，使流量集中在边侧暗涵。

综上，结合工况1 和工况4 的同频组合试验结果，与数值分析基本一致，微调了稳流消能池长度及深度， 将消能控制在35%～38%之间利于上游暗涵排水，又利于稳流消能池末端水流顺利流向下游暗涵。

4 结语

（1）通过工程布置、水力学数值计算及水工模型试验，验证复杂、不利汇流条件下的支流入干流消能、流态与水面衔接，水力学数值计算与水工模型试验相结合的方式是解决复杂问题直观而科学的手段。

（2）通过对不同工况条件下的分析，弄清了稳流消能池水流、水位状况，直观地再现和验证了计算成果，水工模型试验及数值计算基本一致，设计人员根据成果微调了稳流消能池结构设计， 将消能效率控制在36.30%～37.11%， 很好地解决了水流过渡与水面衔接问题。

（3）数值计算结合水工模型试验验证，是解决复杂汇流条件的水工建筑设计的较好办法， 可为类似工程参考借鉴。