高落差泄水閘陡管折沖式消能工研究

姜福基

（甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅蘭州730000）

高落差泄水閘陡管折沖式消能工研究

姜?；?/p>

（甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅蘭州730000）

甘肅省東鄉南陽渠總干5#泄水閘泄水落差大、坡度陡而且運行過程中流量變化異常頻繁，因此消能防沖方式的確定至關重要。在充分分析地形地質條件和水工模型試驗的基礎上從泄水落差、流量變化、流速、運行要求和消能等多個方面研究了該工程的消能方式及其結構布置形式。經研究該工程泄水渠擬采用無壓輸水陡管兩級消能方案，其中首級消能采用國內首創的折沖式消能工形式（落差為80.97m），二級采用底流式消力池形式（落差為20.53m）。經理論計算和實際工程應用表明該消能方式效能率高、流態穩定，是一種值得推廣的消能方式。

高落差；消能工；水力計算；模型試驗

1 引 言

甘肅省東鄉南陽渠灌溉工程位于臨夏回族自治州境內，是解決東鄉、和政及臨夏三縣部分地區灌溉、人畜飲水、生態用水的跨流域中型調水工程。其中總干渠5#泄水閘泄水渠總長404.19m，泄水落差為101.5m，設兩級消能，第一級落差為80.97m，比降分兩段，上段1/4.03，下段1/2.19；第二級落差為20.53m，比降1/4.47。此外，該泄水閘又為南陽渠最大灌區那勒寺支渠分水閘，灌溉輸水時間長，運行過程中流量變化頻繁，設計采用鋼管陡管泄水，管徑Φ 1000，泄水流量為3.5m3/s，灌溉設計流量為0.6m3/s，灌溉高峰期流量約為2.0～1.5m3/s。因此該工程消能工設計至關重要。雖然國內外學者已開展許多關于消能方面的研究工作［1，2］，如蘇武艷［3］、陳朝［4］和熊建寧［5］等通過試驗的方法研究了各種消能工的消能效果；史志鵬［6］和董建偉［7］等則通過數值模擬的方法分別對低水頭輔助消能工和洞塞式消能工進行了研究；王?。?］和姜華［9］等分別對格柵式和臺階上消能工進行了分析；阮祥明等［10-12］則結合具體工程研究了各種消能工的消能效果；明福林［13］和潘輝［14］等對中小型水工建筑物的消能問題進行了探討。

上述研究成果雖然在解決具體工程問題方面體現出了各自的優勢，但均無法滿足本工程高落差［15-16］且流量頻繁變化的消能任務，本文擬根據地形地質條件和水工模型試驗結果從泄水落差、流量變化、流速、運行要求和消能等多個方面研究該工程的消能方式及其結構布置形式。基于理論分析計算和相關模型試驗，擬提出折沖式消能工形式（一級消能），第二級采用底流式消力池形式。以期解決本工程高落差且流量頻繁變化的消能難題。

2 折沖式消能工設計

2.1 折沖式消能工布置

5#泄水閘泄水渠消能工設計，因第一級落差較大，流速較高，且存在支渠小流量分水問題，流量由3.5m3/s變化為0.6m3/s，運行過程中流量變化頻繁，如泄水管道采用有壓輸水時，管內存在有壓無壓交替狀態，而常規底流式消能工，因管出口流速較難控制，致使在不同流量工況下消能不允分。為使管道在各流量工況下不產生有壓無壓交替情況，泄水管道采用無壓輸水陡管，一級陡管出口消能工采用折沖式消能工形式。所謂折沖式消能工，既是將消能箱分為三段三個區域，第一段在距管出口1.4m處的管軸線上設折角120°的鑄鋼折沖板，板厚200m m，分向兩側的板寬515m m，板兩端固定在箱體兩側墻上，此段為強烈摻氣區；第二段為在距折沖板0.8m處的箱底板上設高度1.4m的向上折流板，然后在距第一道折流板1.2m處的箱體項板上設高度為1.4m的向下的折流板，此段為能量耗散區；第三段在距離上折流板1.2m處設1.4m高的尾坎，此段為水流流態調整區。折沖板考慮消能效果采取前折流板的上端和后折流板的下端及尾坎頂部均在一個平面上的設計形式（詳見圖1），但根據模型試驗也可采用不在一個平面上的設計形式。

折沖式消能工流態調整區后的流態根據水工模型試驗，箱出口流態較平穩，對下游建筑物不產生沖刷，一般情況下設長10m左右的水流擴散段與渠道或河道交匯即可。本泄水閘泄水陡管因為采用二級，為保證第二級陡管的進流平順，在流態調整區后設長7.149m，寬3.0m，深2.0m，比降1/500的矩形擴散段和長2.851m的漸變段與二級陡管銜接。

2.2 折沖式消能工結構設計

泄水閘泄水陡管一級折沖式消能工采用現澆C 25鋼筋混凝土結構，箱體結構尺寸為：箱體凈長6.1m，凈寬3.0m，凈深2.6m，側墻板厚50c m，底板厚80c m，頂板厚50c m，上、下折流板厚50c m，管道入箱口設與箱體為一體的鎮墩，鎮墩長4m，寬4m。

2.3 折沖式消能工消能水力計算

2.3.1 陡管水力計算

泄水閘泄水陡管設計分為兩級，第一級陡管管長273.33m，落差為80.97m，比降：前段長187.41為1/4.03，后段長86.08m為1/2.19；第二級陡管長94.06m，落差為20.532m，比降1/ 4.472，兩級陡管均采用管徑Φ1000m m鋼管。一級陡管出口消能采用折沖式消能工，二級陡管出口采用底流式消力池。該水力計算主要計算第一級陡管流速和管內凈空面積比，計算公式采用曼寧公式。

式中：

V—折沖式消能工前陡管流速（m/s）

i—陡管比降；

C—謝才系數（m/s1/6），

n—鋼管內壁糙率，n=0.012；

A—過水面積（m2），

d—管道內徑（m）；

h—管內水深（m）；

r—管道半徑（m）。

圖1 消力箱結構布置圖

一級陡管各流量工況下流速計算見表1。

從表1中數據可以看出，管道通過最大泄水流量3.5m3/s時，凈空面積比為74.43%，大于規范要求的無壓流15%，表明管道完全為無壓出流。

2.3.2 折沖式消能工水力計算

折沖式消能工是國內首創的一種新型消能形式，該種消能工由于管出口出流受折沖板對流速的反向折流，同時箱中分為強烈摻氣區、能量耗散區、流態調整區，箱內流態均為紊流狀態，水力學計算目前尚未成功的計算公式，只能通過水工模型試驗確定管出口至折沖板、折沖板至折流板及上、下折流板之間的距離和水流流態調整區的長度，以及消能箱的凈寬和箱體出口擴散段的長度等。

2.3.3 消能箱出口水流擴散段水力計算

消能箱出口水流擴散段經折沖消能后，其流態已很穩定，但如果與該泄水閘設計相同，需要設兩級消能時，還需計算出相應的正常水深及臨界水深，以判斷擴散段是緩流還是急流。擴散段水深由水工模型試驗確定。水工模型試驗得到本工程擴散段最大流量為3.5m3/s時，h=0.658m。

（1）擴散段臨界水深計算

中國高等教育學會秘書學專業委員會公文培訓師王燕則結合公文寫作新規定，通過結合大量公文寫作方面的實例，對函、通知、總結等常用公文文種的用途、分類、結構、行文方向、寫作要點等理論知識和實際操作作了精彩講解。

式中：

α—修正系數，α=1.0～1.04，取1.0；

B—擴散段寬度（m），B=3.0m。

計算得最大泄水流量Q=3.5m3/s時，臨界水深hk=0.175×B=0.525m，小于水工模型試驗得到的擴散段最大流量為3.5m3/s時的水深h= 0.658m，即hk＜h，說明擴散段為緩流。

（2）擴散段水深復核

雖然由前計算判斷的擴散段水流為緩流，但不能判斷是均勻還是堰流，其判斷是否為均勻流的條件是：

當擴散段長度L＞10倍的擴散段水深時為明渠均勻流；

當擴散段長度L＜10倍的擴散段水深時為寬頂堰流；

水工模型試驗得到本工程擴散段最大流量為3.5m3/s時的水深h為0.658m，擴散段長度L= 7.194m＞10h，屬明渠均勻流。各流量工況水力計算按滿寧公式計算：

式中：

Q—擴散段過流量（m3/s）；

A—擴散段過流面積（m2），A=B h；

i—擴散段比降；

C—謝才系數（m1/6），

n—糙率，取n=0.015；

R—水力半徑（m）；

X—濕周（m），X=B+2h；

B—擴散段寬度（m）；

h—擴散段水深（m）。

各流量工況下擴散段水深計算見表2。

表1 第一級陡管各流量工況流速計算表

表2 各流量工況下擴散段水深計算表

由表2可以看出，消能箱出口擴散段通過最大流量時，正常水深與模型試驗水深一致，由此說明擴散段水流是明渠均勻流。該工程泄水閘二級陡管仍可采用無壓泄流。

3 折沖式消能工的消能原理

折沖式消能工的消能原理是管道出口水流經折沖板折流發散，產生大量空氣，挾帶空氣的水流與周圍水體產生強烈摻混區，并帶動水流在折沖板上下與箱體之間形成豎向回流。在強烈摻混區水流的消能是以水流與折沖板和箱體邊壁的摩擦及水流質點之間的摻混剪切的方式進行的。根據水工模型試驗，消能耗散區的水流大致可分為上、下兩層。上層水流紊動強烈，氣泡快速向上逸出，水流狀態有面流消能的某些特征。下層水流的運動特征則主要是折沖和碰撞，在水流翻過前后折流板時，折流板之間增加了水體和固體邊界的摩擦?？傊?，在消能耗散區，水流主要以摻混、紊動、破碎的方式消能，表現的形式是水與水的質點之間，水與氣泡之間，水、氣泡與固體邊界之間通過摩擦進行質量、能量和動量的交換，從而達到能量的消散。當水流流出耗散區時，大部分能量已消耗殆盡。水流流態調整區有兩個功能，第一個功能是通過出口段的調整，使出口段的水流平穩、平順，減少波動；第二個功能是使水流從耗散區帶出的氣泡能在出口逸出。這兩點對折沖式消能工設計都很重要。

折沖式消能工的水流能量消耗主要在摻混區和能量耗散區，其摻混區和耗散區的長度、寬度由泄流量、流速大小而定，根據水工模型試驗結果，一般情況下流速為主要控制因素，但流速可由輸水管直徑來控制。

折沖式消能工的消能率是反映消能效果的一個指標，為定性評價該種消能工的消能效果，本次水工模型試驗分別進行了7種流量工況下的消能率試驗，結果見表3。

表3 折沖式消能工在各流量工況下的消能率

從表3看出，折沖式消能工的消能率在70%～90之間，較一般底流式消力池的消能率（45%～70%）要高出20%以上，且流速越大，消能率越高。如甘肅慶陽市火巷溝排洪工程采用此種形式的消能工，經水利部西北水科所水工模型試驗驗證，排洪流量達到20m3/s時，消能率為89.6%，可見該種消能工是值得推擴的一種新型消能工。

本工程水工模型試驗現場如圖2所示。

圖2 折沖式消能工水工模型試驗

4 折沖式消能工的特點

根據該工程地形地質條件、水工模型試驗及運行效果分析總結出折沖式消能工具有以下優點：

（1）能夠適應高落差、高流速的管道泄水；

（2）消能箱小，結構簡單，工程量小，投資省；

（3）消能非常充分，消能率較高，尾坎后擴散段水流穩定，流速相當緩漫，對下游渠道或河道（溝道）無沖刷；

（4）對地形條件無限制，適合于任何地形布置；

（5）能適應復雜的地質條件，地基處理簡便；

（6）適應多級消能；

（7）可在20m3/s以下流量的輸水陡坡，泄水消能建筑物使用。

唯一不足之處是箱內污物清除困難，陡管進口需設置攔污設施，并盡可能應用于清水渠系之中，特別是該種消能工不適應有壓管道的消能。

5 結論

（1）總干渠5#泄水閘采用無壓輸水陡管，兩級消能方式消能，其中首級消能采用折沖式消能工形式，二級采用底流式消力池形式，消能效果滿足工程運行要求；

（2）首級折沖式消能工消能箱分為三段三個區域，分別為：鑄鋼折沖板段強烈摻氣區、上下折流板段能量耗散區和上折流板至尾坎段流態調整區；

（3）經水工模型試驗證明該消能方式特別適用于流速較大的工程，其消能率約為70%～90%，較一般底流式消力池高出20%以上。

［1］黃秋君，吳建華.收縮式消能工的研究現狀及進展［J］.河海大學學報（自然科學版），2008，36（02）：219-222.

［2］鄭林平，李岳軍.水工隧洞內消能工的研究及應用進展［J］.水力發電，2006，32（09）：81-83.

［3］蘇武艷.峻山水庫主壩泄洪消能防沖水工整體模型試驗研究［J］.水利規劃與設計，2015（01）：52-55.

［4］陳朝，王立輝，王海軍.跌擴型底流消能工消能的試驗研究［J］.水力發電學報，2012，31（04）：145-149.

［5］熊建寧，張志雄.中壩子水電站表孔泄洪消能建筑物體型試驗研究［J］.水利技術監督，2010（02）：35-38.

［6］史志鵬，張根廣，何婷婷.低水頭輔助消能工水力特性數值模擬計算研究［J］.水電能源科學，2011，29（06）：106-108.

［7］董建偉，許唯臨，鄧軍，等.洞塞式消能工的數值計算［J］.四川大學學報（工程科學版），2002，34（03）：13-15.

［8］王健.格柵式消能工在紅橋水電站泄水陡坡中的應用［J］.中國農村水利水電，2002（06）：64-65.

［9］姜華，陳永清.臺階式消能工在金平水電站的應用［J］.水電與新能源，2014（03）：16-18.

［10］阮祥明，羅光其.石埡子水電站泄洪消能工設計研究［J］.水利與建筑工程學報，2014，12（01）：201-204.

［11］唐志全，侍克斌，萇登侖.新疆某土石壩表孔溢洪洞消能方案研究［J］.水利規劃與設計，2010（02）：45-47.

［12］李琳，葛旭峰，譚義海，等.小石峽水電站溢洪道消能工優化試驗［J］.水利水電科技進展，2011，31（04）：77-81.

［13］明福林，劉金輝.中小型泄水工程利用附著混合流消能問題的探討［J］.水利規劃與設計，2011（05）：23-25.

［14］潘輝.溢洪道多級跌水消能探析［J］.水利技術監督，2010（04）：27-29.

［15］宋兵偉，賀清錄，潘紹財.高落差水閘消能工優化設計［J］.水電能源科學，2011，29（11）：126-128.

［16］董興林，郭軍，楊開林，等.高水頭大流量泄洪洞內消能工研究進展［J］.中國水利水電科學研究院學報，2003（03）：185-189.

表5 價值指數計算表

6 結論

從表5的計算結果可以看出，站址二的價值指數高于站址一。

站址一和站址二均能滿足工程總體布置要求和工程設計功能要求。站址一泵站上游引河交匯于瓜洲閘閘下約550m處，閘、站合用一個入江口門，交匯點距入江口約500m，由于瓜洲閘已運行多年，入江口河勢已基本穩定，河口沖、淤也已基本平衡，河口淤積問題相對較小，但其上、下游引河較短，水流條件不如站址二，并且由于拆遷安置工作量較大，有可能增加拆遷安置工作的難度，甚至影響到工程順利實施。

綜合考慮各方面因素，瓜洲站工程站址推薦采用站址二。

參考文獻

［1］全國造價工程師執業資格考試培訓教材編審委員會.工程造價管理基礎理論與相關法規（2006年版）［M］.北京：中國計劃出版社，2006.

［2］趙國杰.工程經濟與項目評價［M］.天津：天津大學出版社，1999.

T V 32

A

1672-2469（2015）05-0056-05

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.018

姜?；?956年—），男，高級工程師。