劉雙喜 武彩萍 李百良 楊祎祎

：水利樞紐泄洪建筑物下游的高速水流沖擊下游河床致使下游河床嚴(yán)重沖刷及岸坡淘刷，處理不當(dāng)可能危及大壩安全。針對金溝河紅山水庫溢洪道下游的消能問題，通過水工模型試驗對溢洪道進(jìn)行不同工況下的消能效果分析，提出了采用“臺階＋消力池＋消力坎輔助消能工”的綜合消能方案，較好地解決了紅山水庫溢洪道泄洪消能問題，為水庫工程溢洪道下游消能防沖設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：模型試驗；溢洪道；消力池；臺階消能；消力坎；紅山水庫

中圖分類號：ＴＶ６５３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２５

引用格式：劉雙喜，武彩萍，李百良，等．金溝河紅山水庫溢洪道下游消能工優(yōu)化試驗研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１３６－１３９，１４５．

溢洪道是水利水電工程中常用的泄水建筑物，一般具有水頭高、流速大的特點，如果不采取工程措施消除余能，那么水流將沖刷下游河床，會造成惡劣的流態(tài)，影響樞紐中其他建筑物的正常運行，甚至?xí)＜按髩蔚陌踩郏保?。通過工程消能措施消除下泄水流的余能，可以有效地解決泄水建筑物下游河道的沖刷問題，保護(hù)溢洪道及大壩等建筑物的安全。目前，常規(guī)的消能方式有底流消能、挑流消能、面流消能、臺階消能等。水利工程的水文地質(zhì)、地形地貌條件復(fù)雜，在水利工程設(shè)計過程中，如何合理地選擇溢洪道等建筑物的消能方式，是關(guān)系到整個水利工程安全與經(jīng)濟的重要問題。每個工程應(yīng)根據(jù)各自的特點選擇適宜的消能方式，如：黃河小浪底水利樞紐工程采用的是集中泄流的消能方式，即所有的泄水建筑物（３ 條明流洞、３ 條排沙洞、３條孔板洞共９ 條洞及１ 座溢洪道）都宣泄在同一個水墊塘內(nèi)，泄水建筑物下游消能除孔板洞外，其余皆采用挑流消能［２－３］ ；段家壩水庫根據(jù)工程特點，溢洪道消能采用了跌坎型的底流消能方式，消除下泄水流的余能，保障了工程安全［４］ ；云南省真金萬水庫溢洪道采用階梯＋扭曲挑坎的聯(lián)合消能方案，很好地解決了溢洪道的消能防沖問題［５］ 。

本文根據(jù)新疆紅山水庫工程特點，基于物理模型試驗對紅山水庫溢洪道出口底流消能、溢洪道臺階消能以及增設(shè)輔助消能工的水力特性進(jìn)行了對比分析，提出了采用“臺階＋底流消能＋消力坎輔助消能工”的綜合消能方案，以較好地解決紅山水庫溢洪道泄洪消能問題，其對同類水利水電工程設(shè)計具有一定的參考意義。

１ 工程概況

紅山水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)沙灣縣境內(nèi)的金溝河出山口處，是一座灌溉、防洪、工業(yè)供水兼顧發(fā)電等綜合利用的水利工程，是金溝河上的控制性工程，起著龍頭水庫的作用。水庫為Ⅲ等中型工程，總庫容為５ ３４４ 萬ｍ３，水庫樞紐工程由擋水壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等組成。

該工程擋水和泄水建筑物按１００ ａ 一遇洪水設(shè)計（Ｑ ＝７０５．１ ｍ３ ／ ｓ）， ２ ０００ ａ 一遇洪水校核（Ｑ ＝ １ ０５０．１ｍ３ ／ ｓ），泄水建筑物下游消能及防護(hù)工程按３０ ａ 一遇洪水設(shè)計（Ｑ＝２１１．０ ｍ３ ／ ｓ）。

溢洪道布置在左岸壩肩上，采用開敞式，由進(jìn)口引渠段、控制段、泄槽段、出口消能段組成。溢洪道設(shè)計泄量４４３．７３ ｍ３ ／ ｓ，校核泄量７７３．１１ ｍ３ ／ ｓ。進(jìn)口控制閘室段進(jìn)口底板高程８７２．００ ｍ，控制段堰型采用ＷＥＳ堰，堰頂高程８７９．００ ｍ，采用弧形工作門，孔口尺寸為１１ ｍ×８ ｍ（長×寬）。泄槽由陡坡Ⅰ段、拋物線段和陡坡Ⅱ段組成，泄槽寬１１ ｍ，陡坡Ⅰ段縱坡ｉ ＝ １ ∶ ９，陡坡Ⅱ段縱坡ｉ ＝１ ∶ ２．５。出口采用底流消能，消力池長５６ ｍ，底板高程８１９．８２ ｍ，池深４．５ ｍ、寬２０ ｍ。消力池后接長４５ ｍ 護(hù)坦段，護(hù)坦段底寬由２０ ｍ 擴至４９ ｍ，護(hù)坦段后設(shè)置了長２０ ｍ 鋼筋石籠柔性海漫與河道平順連接（溢洪道布置見圖１）。

２ 模型設(shè)計

依據(jù)《水工（常規(guī)） 模型試驗規(guī)程》（ＳＬ １５５—２０１２）（簡稱《規(guī)程》），模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計［６－７］ ，根據(jù)試驗要求、原型水流特性，結(jié)合試驗場地等條件，確定模型幾何比尺λＬ ＝５０，各物理量的比尺與幾何比尺的關(guān)系見表１。

３ 原設(shè)計方案消能工存在的問題

底流消能是一種傳統(tǒng)的消能方式，通過修建消力池等控制水躍位置，利用水躍引發(fā)的表面旋滾和強紊動來消除水流的能量，以減少或防止水躍范圍內(nèi)發(fā)生沖刷。它具有流態(tài)穩(wěn)定、消能效果好、對地質(zhì)條件和尾水水位變化適應(yīng)性較強的優(yōu)勢，且底流消能引起的泄洪霧化很小，對周邊環(huán)境影響?。郏福?，因此越來越多的水利工程采用底流消能方式來消除水流能量。紅山水庫溢洪道設(shè)計采用底流消能，消力池池長５６ ｍ、深４．５ｍ、寬２０ ｍ。試驗結(jié)果表明，該消力池的設(shè)計體形在３０ ａ 一遇洪水時池內(nèi)可以形成完整淹沒水躍，但在設(shè)計洪水和校核洪水時池內(nèi)均形成了遠(yuǎn)驅(qū)水躍，水躍躍頭分別位于消力池池長１／３ 和１／２ 位置，消力池長度不能充分利用，底流消能不充分。

４ 優(yōu)化方案試驗結(jié)果

針對原設(shè)計方案下游消能中存在的問題，對溢洪道消能方案進(jìn)行優(yōu)化，消除水流余能，降低進(jìn)入下游河道的流速、減輕溢洪道泄水對下游河道沖刷，保障工程安全。

４．１ 消力池修改方案

原設(shè)計底流消能中溢洪道下泄設(shè)計洪水和校核洪水時出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍，表明消力池末端水深小于水躍的共軛水深，要想提高消力池下游水深，一般需要通過增設(shè)尾坎或者降低池底高程的方法來解決。根據(jù)紅山水庫工程條件，若在消力池末端增設(shè)尾坎，水流出消力池后將在下游護(hù)坦上產(chǎn)生跌水并沖擊下游護(hù)坦，則需要通過降低池底高程來提高消力池下游水深，使各級特征工況下溢洪道下泄水流均能在消力池內(nèi)形成完整淹沒水躍。通過水力計算和多次模型試驗，將消力池池底高程降低３．０ ｍ，即消力池池深由４．５ ｍ 增加至７．５ ｍ，各級工況下消力池內(nèi)均能形成完整淹沒水躍，同時將泄槽陡坡Ⅰ段下游連接的拋物線坡面和泄槽陡坡Ⅱ段斜坡比降進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后溢洪道出口段剖面布置如圖２ 所示。

消力池底板高程降低３．０ ｍ 后，各級洪水工況下消力池內(nèi)均能形成完整的淹沒水躍，消能效果得到了改善。試驗結(jié)果表明，各級洪水下由于下游河道水位低，水流出消力池后為跌水，且護(hù)坦過流斷面沿程逐漸增大，水深沿程逐漸變小，因此護(hù)坦及海漫段水流流速較大。校核洪水下消力池末端斷面平均流速約８．１９ｍ／ ｓ，護(hù)坦上最大流速為１２．１４ ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速為為１０．６８ ｍ／ ｓ。設(shè)計洪水下消力池末端斷面平均流速約為５．８３ ｍ／ ｓ，護(hù)坦上最大流速為９．０５ ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速為６．２５ ｍ／ ｓ。３０ ａ 一遇洪水下消力池末端斷面平均流速約為４．９５ ｍ／ ｓ，護(hù)坦上最大流速為６．８２ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速為５．４２ ｍ／ ｓ。

４．２ 增設(shè)臺階消能方案

臺階式溢洪道是水利工程中常見的泄洪消能方式之一，通過在陡槽段增設(shè)臺階，使得溢流槽面的“表面糙率”增大而耗散能量。其消能機制是水流流過溢洪道臺階時，產(chǎn)生落差跌流并在臺階跌坎內(nèi)部產(chǎn)生低壓旋渦，致使泄流的紊動急劇加大。紅山水庫溢洪道消力池體形通過修改優(yōu)化后，下游流態(tài)及消能效果得到了改善，但僅采用單一底流消能方式無法滿足下游消能防沖需求。為了提高消能率，將溢洪道陡坡Ⅱ段由光滑式改為臺階式，在該段布設(shè)了２３ 個臺階，每個臺階尺寸為水平長２．０ ｍ、高０．８８９ ｍ，下游消力池及護(hù)坦尺寸不變，即采用臺階與消力池聯(lián)合消能方式，見圖３。

試驗量測了溢洪道采用“臺階＋消力池”聯(lián)合消能方式在三級特征洪水工況下消力池末端斷面水力參數(shù)，并利用式（１）計算了溢洪道消能率，結(jié)果見表２。從表２ 可以看出，增設(shè)臺階后，溢洪道消能率由４９．９％～５７．４％提高至８５．０％～９３．７％，推薦設(shè)計采用。４．３ 增加輔助消能工方案紅山水庫溢洪道通過在泄槽陡坡段增設(shè)臺階，同時對消力池體形進(jìn)行修改優(yōu)化后，溢洪道下游消能效果雖然得到了提高，但是各級洪水時下游河道水位較低，護(hù)坦及海漫段水深淺、流速大，進(jìn)入下游河道的水流流速遠(yuǎn)大于下游河床抗沖流速（２．２～２．５ ｍ／ ｓ），下游河道沖刷嚴(yán)重。為了減輕溢洪道泄水對下游河道沖刷，保障工程安全，采取在護(hù)坦上增設(shè)多段多排消力坎式的輔助消能工來改善消能效果。按照溢洪道設(shè)計規(guī)范要求，當(dāng)流速小于１６ ｍ／ ｓ 時，允許加設(shè)各種形式的輔助消能工，以提高消能率。根據(jù)試驗量測結(jié)果，溢洪道采用“臺階＋消力池”聯(lián)合消能方式，校核洪水的護(hù)坦段最大流速小于１０ ｍ／ ｓ，因此在護(hù)坦段增設(shè)輔助消能工滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過多組輔助消能工試驗比較，確定在護(hù)坦上增設(shè)３ 排６ 段連續(xù)消力坎，每段長度均為１０ ｍ，３ 排消力坎交錯排列，消力坎平面布置如圖４ 所示。根據(jù)護(hù)坦水深設(shè)置坎高１．０ ｍ，且３ 排消力坎坎高一致，消力坎斷面均為梯形，頂寬０．５ ｍ、底部寬為１．０ ｍ。由于護(hù)坦上水深沿程逐漸變淺，為了進(jìn)一步提高消能率，將第一排和第二排消力坎坎高增高，第一排由１．０ ｍ 抬高至１．５ ｍ，第二排坎高由１．０ ｍ 抬高至１．３ ｍ，為了與下游水流平順連接，將第三排坎高由１．０ ｍ 降低至０．８ ｍ。消力坎不等高方案剖面如圖５ 所示。

試驗量測結(jié)果表明，護(hù)坦上增設(shè)３ 排６ 段連續(xù)消力坎，起到了分散水流、加劇水流紊動摻混從而提高消能率的作用，每道消力坎還有迎拒水流，對水流的沖擊產(chǎn)生反作用力，同時消力坎還能將護(hù)坦上流速較大的底部水流挑起，改變下游的流速分布，使底部流速減小，從而減輕水流對海漫和河床的沖刷。表３ 為不同方案下海漫末端斷面中底部流速，從表３ 可以看出，在護(hù)坦上增設(shè)３ 排６ 段連續(xù)消力坎輔助消能工，與護(hù)坦上未布設(shè)消力坎相比，下游海漫末端流速明顯減小，不等高消力坎方案中由于前兩排消力坎高度增加，消力坎阻水作用以及水流紊動作用相應(yīng)增強，因此消能率提高，推薦采用。

５ 結(jié)束語

溢洪道下游消能工體形設(shè)計的合理性對溢洪道下游的安全性、經(jīng)濟性以及工程設(shè)計的成敗起著重要作用。本文通過水工模型試驗對新疆紅山水庫溢洪道消能工體形進(jìn)行了試驗驗證，針對原設(shè)計方案溢洪道下游消能存在的問題，對溢洪道下游消能工進(jìn)行了多種體形修改優(yōu)化。研究認(rèn)為，在泄槽陡坡段增設(shè)臺階，可以使溢洪道消能率提高３５％左右，護(hù)坦上增設(shè)消力坎可以有效降低海漫段的流速。研究提出的“臺階＋消力池＋消力坎輔助消能工”綜合消能方案，消能效果十分顯著，較好地解決了紅山水庫溢洪道泄洪消能問題，該成果可供類似工程設(shè)計參考和借鑒。

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【責(zé)任編輯 簡 群】