李鳳濱 范建強(qiáng)

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000)

城市濱水區(qū)是城市建設(shè)規(guī)劃的核心區(qū)域，也成為城市不可多得的亮麗風(fēng)景線，其設(shè)計(jì)對改善濱水地帶水體的生態(tài)環(huán)境、提升城市文化內(nèi)涵、增加公共開放空間、增添城市景觀具有重要作用。濱水景觀的設(shè)計(jì)規(guī)劃類型眾多，建設(shè)的方向及理念差異較大，有以凸顯地域水域特性的設(shè)計(jì)，比如寧波慈溪白洋湖的濱水景觀設(shè)計(jì)、洛陽洛浦公園地域特色下的濱水景觀設(shè)計(jì)、撫順渾河沿岸濱水空間設(shè)計(jì)、武漢濱水住區(qū)外部空間設(shè)計(jì)策略等；有以提升生態(tài)活力為方向的設(shè)計(jì)，有以構(gòu)筑“海綿城市”為核心的設(shè)計(jì)等。

濱水景觀的設(shè)計(jì)是一個綜合水生態(tài)、人文、城市防洪等多角度的學(xué)科，其設(shè)計(jì)過程要綜合考慮。目前情況下，部分城市的濱水景觀設(shè)計(jì)美觀、環(huán)保有余，而防洪、泄洪能力不足，無法達(dá)到人與水生態(tài)和諧相處的目的。許多濱水生態(tài)壩為構(gòu)建水生態(tài)，通常修筑高度較低的擋水壩，其壩型難以達(dá)到泄洪、防洪兼顧的目的，諸多壩體設(shè)計(jì)存在泄流不足，造成水流消能噪聲。在此背景下，探求生態(tài)壩泄水消能降噪意義重大，社會和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

1 工程概況

永安巴溪河屬于永安市內(nèi)河，此次工程的研究目標(biāo)為巴溪生態(tài)景觀1號壩，該壩斷面距上游壩體河段長度為660m，距下游河段60m處為南溪中路林化橋。初始工況下，距離壩體下游5～8m位置為消能活躍區(qū)，噪聲較大，距離該區(qū)域臨岸0.5m處噪聲測值為75dB；壩體右岸80m毗鄰居民住宅，之間無障礙物阻擋，住宅臨河最近點(diǎn)測得噪聲均值為65dB，嚴(yán)重影響居民日常生活及睡眠。

生態(tài)景觀1號壩，工程類型為重力型溢流壩，防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇。樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄水建筑物、消力池三部分組成，正常使用時，溢流壩擋水，堰頂溢流，以保持上游水位固定。同時，工程兩岸處設(shè)沖沙閘，用來定期沖沙。

工程壩頂設(shè)計(jì)長度為39m，上游河床高程166.5m，上游堰頂高程為168m，無溢流時景觀水深1.5m。壩體下游水深較為恒定，測值約為165m。

2 工程運(yùn)行工況

永安巴溪生態(tài)景觀1號壩相關(guān)建設(shè)參數(shù)如下，工程水流邊界示意見圖1。

圖1 永安巴溪生態(tài)景觀1號壩輪廓及堰上水面線示意

上游河床水平段AB，高程166.5m；堰頂C點(diǎn)高程為168m；擋水高度或景觀水深BC段1.5m；自堰頂起，經(jīng)斜線CD段、過渡銜接曲線DE段、直線EF段、反弧FG段與下游水面銜接。

當(dāng)前運(yùn)行工況下，壩前水位約170.2m，壩上水頭2.2m，堰頂斷面平均流速4.0m/s，壩攔河寬度39m，泄水流量Q為312m3/s，單寬流量q為4m3/(s·m)。

在當(dāng)前運(yùn)行模式下，距河80m的臨河住宅測得噪聲值在65dB左右。經(jīng)現(xiàn)場分析，引起噪聲異常的可能原因如下：

a.壩上水流流速過大，流線收縮變動劇烈。

b.壩上邊界C、D、E處非流線特征明顯，造成消力池內(nèi)水流紊亂。

c.消力池內(nèi)消能效果較差。

針對上述可能引發(fā)噪聲的原因，擬通過壩面加糙、壩面加高、壩頂降高3種剖面設(shè)計(jì)方案，構(gòu)造水工模型，探求最佳的降噪方案。

3 水工模型設(shè)計(jì)

3.1 模型比尺選擇

依據(jù)原型消能特點(diǎn)，采用弗勞德相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)本水工模型，在優(yōu)化選定模型幾何比尺Lr=10后，其他參量的比尺如下：

3.2 模型設(shè)計(jì)優(yōu)化

目前，在不同設(shè)計(jì)工況下，水工模型的模擬噪聲大小與原型不存在相似(定量)關(guān)系，但可測得不同方案下的減噪趨勢。為此，綜合模型建設(shè)及流量控制要求，選定研究原型的寬度為2m，則此時原型流量為8m3/s，模型流量為25L/s。

模型噪聲測量設(shè)備采用聲級計(jì)，試驗(yàn)過程的測點(diǎn)選在水流消能最大斷面處，距離水面高度5～10cm。

3.3 模型試驗(yàn)?zāi)M工況

模型流量邊界：工況一20L/s、工況二25L/s、工況三30L/s。

水工模型采用壩面加糙、壩面加高、壩頂降高3種不同剖面設(shè)計(jì)形態(tài)。

4 水工模型的試驗(yàn)過程

4.1 壩面加糙方案

壩面加糙可增大沿程水頭損失，降低水躍消能水頭。

壩面加糙的方式及種類眾多，本水工模型試驗(yàn)方案采用了工程上較為常見的人字形檻和交錯式矩形糙條兩種糙面形態(tài)，見圖2，摒棄了壩面顆粒加糙方法。顆粒加糙易受水流空蝕破壞，在水利工程上較少采用。

初始工況下，隔板高度為0cm，在模型流量為20L/s、25L/s、30L/s時噪聲最大測值分別為38dB、40dB、40dB。

模型試驗(yàn)加糙隔板高度選0.5cm、0.8cm、1.0cm三種，1.0cm以上隔板高度對應(yīng)原型達(dá)10cm以上，阻水效果明顯，結(jié)構(gòu)體易受水擊作用而遭受破壞。

圖2 模型壩面加糙兩種常見形態(tài)

通過模擬流量、糙面形態(tài)邊界下的水工模型試驗(yàn)，得到壩面加糙工況下的噪聲測值，見表1。

表1 壩面加糙工況水工模型噪聲測值 單位：dB

糙面加糙模型試驗(yàn)結(jié)果表明：?水工模型單人字形檻糙面、交錯式矩形糙條兩種壩面加糙方式的減噪效果均不明顯；?糙面加糙模型減噪效果隨糙面加糙高度不同而異，隔板高度小于8cm時有減噪效果，超出后反而會加大噪聲。

4.2 壩面加高方案

在工程原型中，水流漫過坡度平緩的壩頂段CD后，過壩水面線沿壩后銜接段DE急劇束窄，在EF段躍入式進(jìn)入消力池。在此過程中，原型的水面線變動急劇，原壩面邊界水流銜接不足、流線性不足。

針對此工況，調(diào)整壩面高度，并適當(dāng)對壩面邊界進(jìn)行流線化改造，以期通過改變過壩水流流態(tài)，實(shí)現(xiàn)減噪目的。

壩面加高方案，主要針對壩面CDE段，同時考慮到模型制作尺寸，本模型模擬了168.5m、169.0m兩種壩體加高設(shè)計(jì)方案，加高幅度0.5m、1.0m，壩段CDE壩面加高設(shè)計(jì)采用流線化加高，見圖3。

圖3 壩面加高模擬兩種工況

結(jié)合上述不同壩頂加高優(yōu)化方案，通過水工模型試驗(yàn)，得到不同模型流量下的噪聲測值成果，見表2。

壩體加高水工模型試驗(yàn)結(jié)果表明：?相比壩面加糙方案，壩體高度對噪聲影響更為敏感；?壩面高度越高，模型噪聲越大，不利于降噪。

表2 壩面加高方案水工模型噪聲測值 單位：dB

4.3 壩頂降高方案

壩體加高模型試驗(yàn)表明，壩體高度對當(dāng)前水利工程噪聲影響較大，而壩體加高后會產(chǎn)生更大的噪聲。

壩高降低意味著擋水高度的降低，該擋水工程上游河床底部高程為166.5m，壩頂高程168.0m。水工模型模擬壩高采用167.5m、167.0m兩種，其相應(yīng)的壩體剖面見圖4。

圖4 壩頂降高模擬兩種工況

結(jié)合上述不同壩頂降高優(yōu)化方案，通過水工模型試驗(yàn)，得到不同模型流量下的噪聲測值成果，見表3。

表3 壩高降低方案水工模型噪聲測值 單位：dB

模型試驗(yàn)表明：壩高降低可以大大降低消能噪聲，且降低高度越大，降噪效果越明顯。

5 結(jié) 論

綜合壩面加糙、壩面加高、壩頂降高3種水工模型試驗(yàn)成果，可以得出以下結(jié)論：

a.壩面加糙方案，不論采用單人字形檻糙面還是交錯式矩形糙條加糙，對模型的減噪效果均有限，加糙高度加大，反而會增加噪聲值。

b.壩體高度對模型的噪聲影響較大，是最為敏感的影響因子。壩面加高會增加噪聲，壩頂降高減噪效果明顯。

c.結(jié)合模型試驗(yàn)成果，可通過降低壩體高度來達(dá)到降噪目的，值得注意的是，河段單壩體的降高會導(dǎo)致臨近河段河勢出現(xiàn)較大變化，若有條件可逐階段降高以達(dá)到最終降噪的目的。

d.生態(tài)景觀壩的降噪與水工泄流消能研究差異明顯，雖然都涉及水工建筑物泄流消能優(yōu)化問題，但各自的側(cè)重點(diǎn)略有差異，需要區(qū)別對待。

e.生態(tài)景觀壩的降噪研究，促成了水生態(tài)、人文、社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步和諧，可為城市濱水景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)及水工建筑物泄流消能提供重要的數(shù)據(jù)支持，具有較大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。