魯一 耿凡坤 戚印鑫 李琳

摘 要：中小型引水渠首工程由閘室、護坦、防沖槽等主體結構組成。通過模型試驗，研究分析相同地質條件及同等邊界條件下消能工的工作規(guī)律，掌握消能防沖槽在無拋石或有拋石工況下消能工的水流特性，為消能防沖工程設計提供參考依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)：防沖槽內，在無拋石或拋填任何均勻粒徑的卵石時，總會存在一個過水流量QX使閘前至護坦末端的沿程流速基本呈正態(tài)分布且流速與流量正相關;當防沖槽內無拋石或拋填任何均勻或混合粒徑的卵石時，都改變不了流速大小的分布規(guī)律。對于一個幾何結構不變的消能工，消能防沖槽內無任何拋填物的工況下，其最佳消能能力是一個常數(shù);當防沖槽內有拋填卵石時，任何流量都存在一個使其防沖槽消能效果最好的最佳粒徑組合，在最佳粒徑組合下的流速就是對下游破壞力最小的安全流速。

關鍵詞：護坦及防沖槽;水流特性;消能防沖;模型試驗

中圖分類號：TV653 文獻標志碼：A

doi：10.39691;issn，1000-1379.2021.08.022

引用格式：魯一，耿凡坤，戚印鑫，等.中小型渠首工程消能工水流特性模型試驗研究[J].人民黃河，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

新疆農業(yè)是灌溉農業(yè)，灌溉用水的80%以上取自地表河流[1]，且絕大部分為多泥沙河流[2]。根據(jù)新疆地形特征，其渠首工程多布置在出山口處。由于河道縱比降大，因此渠首引洪時閘后沖刷嚴重，特別是當來水挾帶泥沙時更容易威脅閘室整體安全。新疆渠首工程基本處于低水頭運行狀態(tài)，其消能方式以底流消能為主[3]，利用底部水流發(fā)生的水躍進行消能，這樣能夠獲得較高的消能效率[4-5]。

由于河流的含沙量大（且經(jīng)常出現(xiàn)大粒徑卵石、礫石），因此新疆已建低水頭渠首工程的防沖槽被沖擊破壞嚴重。臺階式溢洪道作為一種新的消能設施在國內外得到了廣泛的應用[6]，但是施工復雜、造價較高，所以在工程實踐中，多在海漫末端設置拋石防沖槽進行消能，其效果相對較好，且施工簡便、工程造價相對較低[7]。

李江峰等[8]通過物理模型試驗研究拋石粒徑對防沖槽的影響，分析認為護坦（海漫）末端連接防沖槽處宜設置垂直深隔墻，防沖槽內的上游坡坡比以1∶3～1∶6、下游仰坡坡比以1∶5～1∶10（其坡度趨于緩坡）為宜，沖坑深度計算公式建議采用水閘設計規(guī)范公式。

基于有關學者已有的研究成果[8-9]，就消能工的設計領域而言，研究掌握消能工的水流特性對渠首工程消能工的設計至關重要。

1 模型試驗

1.1 試驗目的

通過物理模型試驗[10]，研究分析相同地質條件及同等邊界條件下消能工的工作規(guī)律，掌握消能防沖槽在無拋石或有拋石工況下消能工的水流特性。

1.2 試驗工況

（1）消能防沖槽無拋石試驗。消能防沖槽內無任何拋填物，按流量Q=220 m3/s、Q=300 m3/s、Q=400 m3/s三種工況進行試驗。

（2）消能防沖槽有拋石試驗。向消能防沖槽內拋填均勻粒徑或混合粒徑的卵石進行試驗。試驗工況組合方案見表1。

1.3 模型設計

1.3.1 模型幾何結構

①模型比尺：1∶30;②模型幾何尺寸：主體模型段長為6 111 mm，上下游河床連接總長度為23 500 mm，主體模型段（上游連接段、閘室、護坦、防沖槽、下游河床、沉沙池）凈寬900 mm，退水渠凈寬700 mm;③原型尺寸：主體原型長度為18 333 mm，主體原型寬度為27 000 mm;④模型總體占地面積：35.99 m2。

模型平面布置具體情況見圖1。

1.3.2 原型典型流量的選擇

新疆共有大小河流500余條，年徑流量在0.74億～2.39億m3之間的河流有100余條。在這些河流上修建引水渠首，其泄洪流量多數(shù)在200～410 m3/s之間。

根據(jù)目前的工程實際，并結合試驗條件，最終選取典型流量Q=220 m3/s、Q=300 m3/s、Q=400 m3/s為試驗流量。對應的單寬流量分別是8.15、11.11、14.81 m2/s。洪水歷時都為1 h。

2 試驗成果及分析

2.1 消能防沖槽內無拋石試驗

（1）流速沿程變化情況。流速沿程變化情況見表2。由表2可知，當來水流量Q=220 m3/s時，水流自閘前至護坦末端，其沿程流速基本是正態(tài)分布，流速與流量正相關;當來水流量Q=300 m3/s、Q=400 m3/s時，閘前水面平穩(wěn)，左、中、右水位基本一致;當來水通過閘前0+012斷面進入閘室時，由于過水斷面收縮，閘室水位略高;當來水過閘后，中間水位略低;當來水進入護坦（0+022斷面）時，其流速逐漸增大;當洪水抵達護坦末端（0+037斷面）未進入消能防沖槽時，流速增至最大;當來水進入消能防沖槽后，水流在槽內形成水躍，水躍消耗了來水的大量動能，水流流速銳減。

由此可知，幾何結構不變的消能工，在防沖槽內無任何拋填物的工況下，就沿程流速大小分布而言，最大流速總是發(fā)生在護坦的下游邊緣與消能防沖槽的上游邊緣交線重合處0+037斷面;最小流速發(fā)生在防沖槽底面平坡與反坡起坡的交線0+047斷面。

（2）水深沿程變化情況。水深沿程變化情況見表3。由表3可知，幾何結構不變的消能工，同一斷面的水深與其來水流量正相關。當防沖槽內無任何拋填物時，在任何流量狀態(tài)下，就其沿程水深而言，護坦水深總是最小;最小水深總是發(fā)生在護坦的下游邊緣與消能防沖槽的上游邊緣交線重合處0+037斷面。

（3）來水流量與過水收縮斷面及水躍斷面位置的關系。不同來水流量收縮斷面及水躍斷面位置見表4。由表4可知，幾何結構不變的消能工，在防沖槽內無任何拋填物的工況下，其防沖槽內的過水收縮斷面及水躍斷面的位置與來水流量的關系為：來水流量越大，其槽內的收縮斷面與水躍斷面出現(xiàn)的位置越向上游。

（4）水流能量沿程變化情況。在消能工中，兩斷面之間的能量轉化遵循如下方程式：

式中：g為重力加速度，m/s2;h為垂直高度，m。

護坦沿程水流能量變化情況：護坦的上游斷面（護坦的上游邊線與閘室的下游邊線重合線0+022斷面稱為護坦的上游斷面，下同）與護坦的下游斷面（護坦的下游邊線與消能防沖槽的上游邊線重合線0+037斷面稱為護坦的下游斷面，下同）之間的高差h=1.50 m，能量變化具體情況見表5。

由表5可知，當Q=220 m3/s、Q=400 m3/s時，水流經(jīng)過護坦時能量沿程增加;當Q=300 m3/s時，水流經(jīng)過護坦時其能量沿程減小;來水流量與護坦末端的能量增量及其能量增量的占比關系不明顯。

由此可知，對于一個幾何結構不變的消能工，如果防沖槽內無任何拋填物，在護坦末端總是存在一個最小的能量增量，這個流量下的流速即最佳流速。

防沖槽內水流能量變化情況：防沖槽的進槽斷面（護坦的下游邊線與防沖槽的上游邊線重合線0+037斷面稱為防沖槽的進槽斷面，下同）與防沖槽的出槽斷面（防沖槽的下游邊線與河床的上游邊線重合線0+070.32斷面稱為防沖槽的出槽斷面，下同）之間的高差h=0.34 m，水流能量變化具體情況見表6。

由表6可知，當防沖槽內無任何拋填物時，來水流量與防沖槽內的消能效果正相關，與消能占比負相關。

成果表明，雖然來水流量增大，防沖槽的消能能力也會增加，但總的消能效果是由防沖槽的消能能力及消能占比這兩個因素決定的。

由此可知，對于一個幾何結構不變的消能工，當防沖槽內無任何拋填物時，防沖槽內總是存在一個消能能力及消能占比相匹配的最佳消能來水流量。

2.2 消能防沖槽內有拋石試驗

2.2.1 均勻粒徑拋石

（1）流速沿程變化情況。流速沿程變化情況見表7。由表7可知，當Q=220 m3/s時，無論向防沖槽內拋填任何粒徑的均勻卵石，其水流自閘前至護坦末端，沿程流速基本是正態(tài)分布，流速與來水流量正相關，這與防沖槽內無任何拋填物（Q=220 m3/s）時相同;當Q=300 m3/s、Q=400 m3/s時，無論向防沖槽內拋填任何粒徑的均勻卵石，閘前至護坦末端的流速沿程變化規(guī)律與防沖槽內無任何拋填物（Q=300 m3/s、Q=400 m3/s）時相同。

由此可知，對于幾何結構不變的消能工，無論向消能防沖槽內拋填任何粒徑的均勻卵石，都不能改變閘前至護坦末端的流速沿程變化規(guī)律。

（2）水深沿程變化情況。水深沿程變化情況見表8。由表8可知，對于一個幾何結構不變的消能工，無論向防沖槽內拋填任何均勻粒徑的卵石，其同一斷面的水深與來水流量正相關，這與防沖槽內無任何拋填物時相同。就其沿程水深而言，也與防沖槽內無任何拋填物時相同。

（3）來水流量與過水收縮斷面及水躍斷面位置的關系。

來水流量與過水收縮斷面及水躍斷面的位置見表9。由表9可知，在防沖槽內拋填均勻粒徑的卵石時，其防沖槽內過水收縮斷面及水躍斷面的位置與來水流量的關系為：來水流量越大，其槽內的收縮斷面與水躍斷面出現(xiàn)的位置越向下游;來水流量越小，其槽內的收縮斷面與水躍斷面出現(xiàn)的位置越向上游。這種現(xiàn)象與無拋石工況恰恰相反。出現(xiàn)這種情況的主要原因是：當防沖槽內無任何拋填物時，防沖槽的下游墻對來水形成一個反作用力，這個反作用力的大小決定了來水流量與過水收縮斷面及水躍斷面的位置。來水流量越大，其流速就越大，對防沖槽下游墻的沖擊力亦越大，反作用力也越大，這樣就會出現(xiàn)來水流量越大，槽內的收縮斷面與水躍斷面出現(xiàn)的位置越向上游;當槽內被充填物填充滿后，防沖槽的下游墻對來水的反作用力大大削減或基本消失，所以就會出現(xiàn)來水流量越大，其槽內的收縮斷面與水躍斷面出現(xiàn)的位置越向下游。

（4）水流能量沿程變化情況。護坦沿程水流能量變化情況：護坦的上游斷面與護坦的下游斷面之間的高差h=1.50 m，其水流能量沿程變化情況見表10。

由表10可知，當防沖槽內拋填均勻粒徑Φ=400 mm、Φ=800 mm時，護坦末端的水流能量增量與來水流量正相關;當防沖槽內拋填均勻粒徑Φ=500 mm時，護坦末端的水流能量增量與來水流量關系不明顯。當防沖槽內拋填均勻粒徑Φ=400 mm、Φ=500 mm時，護坦末端的水流能量增量占比與來水流量負相關;當防沖槽內拋填均勻粒徑Φ=800 mm時，護坦末端的水流能量增量占比與來水流量正相關。

就水流能量增量占比而言，當防沖槽內拋填均勻粒徑Φ=400 mm時，護坦末端能量增量占比在64%～87%之間;當Φ=500 mm時，護坦末端能量增量占比在60%～94%之間;當Φ=800 mm時，護坦末端能量增量占比在51%～66%之間。

這就說明，對于一個幾何結構不變的消能工，任何來水流量都存在一個最佳消能占比。也就是說，總會存在一個相對應的最佳均勻粒徑，使護坦末端的水流能量增量最小。

防沖槽沿程水流能量變化情況：防沖槽的進槽斷面與防沖槽的出槽斷面之間的高差h=0.34 m，水流能量變化具體情況見表11。

由表11可知，當防沖槽內拋填均勻粒徑時，無論均勻粒徑如何變化，其內部消能效果與來水流量正相關。當防沖槽內拋填均勻粒徑Φ=400 mm、Φ=500 mm時，其內部消能效果占比與來水流量正相關;當拋填均勻粒徑Φ=800 mm時，其內部消能效果占比與來水流量關系不明顯。

就消能占比而言，當防沖槽內拋填均勻粒徑Φ=400 mm時，防沖槽內的消能占比在57%～74%之間;當拋填均勻粒徑Φ=500 mm時，防沖槽內的消能占比在51%～75%之間;當拋填均勻粒徑Φ=800 mm時，防沖槽內的消能占比在26%～30%之間。

這就說明，對于一個幾何結構不變的消能工，任何來水流量都存在一個最佳消能占比。也就是說，總會存在一個相對應的最佳均勻粒徑，使其防沖槽內的消能效果最好。

2.2.2 混合粒徑拋石

（1）流速沿程變化情況。流速沿程變化情況見表12。由表12可知，當來水流量不同，且在防沖槽內拋填不同粒徑的混合卵石時，水流自閘前至護坦末端沿程流速情況為：閘前水面平穩(wěn)，左、中、右水位基本一致;當來水通過閘前0+012斷面進入閘室時，由于過水斷面收縮，因此閘室水位略高;當來水過閘后，中間水位略低;當來水進入護坦（0+022斷面）時，其流速逐漸增大;當洪水抵達護坦末端0+037斷面，未進入消能防沖槽時，流速增至最大;當來水進入消能防沖槽后，水流在槽內形成水躍，水躍消耗了來水的大量動能，流速銳減。這與來水流量Q=300 m3/s、Q=400 m3/s防沖槽內拋填均勻粒徑時的流速分布特點相同。

就沿程流速大小分布而言，護坦段在任何流量狀態(tài)下，其水流速度總是最大。最大流速總是發(fā)生在護坦下游邊緣與消能防沖槽上游邊緣的交線0+037斷面，最小流速發(fā)生在防沖槽中的內底面平坡與反坡起坡的交線0+047斷面。

也就是說，消能工幾何結構尺寸不變的情況下，無論向防沖槽內拋填任何粒徑的卵石，都改變不了閘前至護坦末端的流速分布規(guī)律。其規(guī)律與無拋填物工況時相同。

（2）水深沿程變化情況。水深沿程變化情況見表13。由表13可知，幾何結構不變的消能工，防沖槽內拋填任何混合粒徑的卵石工況下，同一斷面的水深與來水流量正相關。

就其沿程水深而言，在任何流量狀態(tài)下，其護坦段水深總是最小，最小水深總是發(fā)生在護坦的下游邊緣與消能防沖槽的上游邊緣交線重合處的0+037斷面。這與向防沖槽內拋填任何均勻粒徑或無任何拋填物時相同。

由此可知，消能工幾何結構尺寸不變的情況下，防沖槽內拋填或不拋填任何粒徑的卵石，都改變不了閘前至護坦末端的水深分布規(guī)律。

（3）流量與過水收縮斷面及水躍斷面位置的關系。流量與過水收縮斷面及水躍斷面的位置見表14。由表14可知，在防沖槽內拋填不同混合粒徑的卵石時，其防沖槽內過水收縮斷面及水躍斷面的位置與來水流量關系為：來水流量越大，槽內的收縮斷面與水躍斷面出現(xiàn)的位置越向下游。這一規(guī)律與拋填均勻卵石時相同。

（4）水流能量沿程變化情況。護坦沿程水流能量變化情況：護坦的上游斷面與護坦的下游斷面之間的高差h=1.50 m，水流能量變化具體情況見表15。由表15可知，當防沖槽內拋填混合粒徑的卵石時，無論組合粒徑如何變化，護坦末端的能量增量與來水流量正相關;當防沖槽內拋填混合1組或混合2組卵石時，護坦末端的能量增量占比與來水流量負相關;當防沖槽內拋填混合3組卵石時，護坦末端的能量增量占比與來水流量關系不明顯。

就能量增量占比而言，當防沖槽內拋填混合1組卵石時，能量增量占比在60%～83%之間;當拋填混合2組卵石時，能量增量占比在63%～86%之間;當拋填混合3組卵石時，能量增量占比在69%～78%之間。這說明，對于一個幾何結構不變的消能工，任何來水流量都存在一個相對應的最佳混合粒徑組合，使其護坦末端水流能量增量最小。

防沖槽沿程水流能量變化情況：防沖槽的進槽斷面與防沖槽的出槽斷面之間的高差h=0.34 m，能量變化具體情況見表16。由表16可知，當防沖槽內拋填混合粒徑卵石時，無論組合粒徑如何變化，其內部消能效果及消能效果占比與來水流量正相關。

就消能占比而言，當防沖槽內拋填混合1組卵石時，消能占比在61%～75%之間;當拋填混合2組卵石時，消能占比在54%～75%之間;當拋填混合3組卵石時，消能占比在57%～76%之間。這說明，對于一個幾何結構不變的消能工，任何來水流量下，防沖槽內總會存在一個最佳消能占比，也就是說，總會存在一個相對應的最佳混合粒徑組合，使防沖槽內的消能效果最好。

3 結 論

通過物理模型試驗對比防沖槽無拋石和拋填均勻粒徑與非均勻粒徑卵石試驗成果，對試驗成果進行分析得到幾何結構不變的消能工水流特性如下。

（1）消能工的沿程流速：當防沖槽內無拋石或拋填任何均勻粒徑的卵石時，總會存在一個過水流量QX使閘前至護坦末端的沿程流速基本呈正態(tài)分布且流速與流量正相關。就消能工而言，無論來水流量如何變化，當防沖槽內無拋石或拋填任何均勻粒徑的卵石時，消能工的沿程流速與過水流量正相關，但流速大小的分布規(guī)律不變。

（2）消能工的沿程水深：防沖槽內無拋石或拋填任何均勻或混合粒徑的卵石時，在任何來水流量工況下，其護坦水深總是最小，最小水深總是發(fā)生在護坦的末端斷面，同一斷面的水深與其過水流量正相關。

（3）消能工過水流量與過水收縮斷面及水躍斷面位置的關系：無拋石時，過水流量越大槽內的收縮斷面與水躍斷面出現(xiàn)的位置越向上游，水流量越小槽內的收縮斷面與水躍斷面出現(xiàn)的位置越向下游;有拋石時，其位置關系的規(guī)律與無拋石時規(guī)律恰恰相反。

（4）護坦段水流能量沿程變化：當防沖槽內無任何拋填物時，護坦段總是存在一個使護坦末端產(chǎn)生最小能量增量的過水流量，這個流量下的流速即最佳流速;當防沖槽內有拋填物時，任何過水流量都存在一個使護坦末端的能量增量最小的最佳粒徑組合。

（5）當防沖槽內無任何拋填物時，防沖槽內總是存在一個消能能力與消能占比相匹配的最佳消能過水流量。也就是說，對于一個幾何結構不變的消能工，消能防沖槽內無任何拋填物的工況下，其最佳消能能力是一個常數(shù);當向防沖槽內拋填卵石時，任何流量都存在一個使其防沖槽消能效果最好的最佳粒徑組合，這個粒徑下的流速就是對下游破壞力最小的安全流速。

參考文獻：

[1] 章曙明，王志杰，尤平達.新疆地表水資源研究[M].北京：中國水利水電出版社，2008：12-13.

[2] 李錫齡.新疆引水渠首[M].烏魯木齊：新疆人民出版社，1994：27.

[3] 朱玲玲.底流消力池內懸柵消能工布置型式對消能效果影響研究[D].烏魯木齊：新疆農業(yè)大學，2014：2-3

[4] 趙巖松，伊佳倩，李媛媛，等.底流消能計算中有關收縮水深的計算方法分析[J].黑龍江水利科技，2013，41（1）：172-174.

[5] 羅林熙，陸漢柱，羅岸，等.高嶺攔河閘重建工程消能試驗研究[J].廣東水利水電，2017（8）：17-21，26.

[6] 胡良明，胡志鵬，謝學東，等.某山區(qū)溢洪道流態(tài)優(yōu)化和消能試驗研究[J].人民黃河，2020，42（3）：87-91.

[7] 張文傳，王均星，劉永斌，等.低水頭多孔閘調度水力沖淤模型試驗研究[J].水電能源科學，2017，35（1）：69-72.

[8] 李江峰，尹輝，戚印鑫，等.拋石粒徑對防沖槽結構和沖刷的影響研究[J].水利與建筑工程學報，2019，17（3）：115-120.

[9] 趙雪萍，李宜倫，趙玉良，等.前坪水庫泄洪洞泄流能力及沖刷消能試驗研究[J].人民黃河，2021，43（4）：134-136.

[10] 張桂花，胡士輝，張曉雷，等.一種新型舌瓣鼻坎消能工的應用研究[J].人民黃河，2021，43（6）：127-130，135.

【責任編輯 張 帥】