淺析山區(qū)河溝多級(jí)跌水消能措施的設(shè)計(jì)

王慶 何錦峰

摘 要：該文針對(duì)山區(qū)大多數(shù)河溝的底坡較陡，流速較大，極易受到坡面洪水的沖刷影響，結(jié)合實(shí)例，通過設(shè)置多級(jí)跌水消能措施，分析其消能效果，為山區(qū)河道整治及岸坡防護(hù)提供設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：山區(qū)河溝；多級(jí)跌水；消能措施

中圖分類號(hào) X321 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）06-154-02

1 坡面洪水對(duì)山區(qū)河溝的影響

山區(qū)河溝大多數(shù)具有流域面積小，流域水系形態(tài)單一，河床縱坡較大的特點(diǎn)，河床變形主要以推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)為主，加之流域源短流急，河道挾沙能力強(qiáng)，懸移質(zhì)幾乎不參加造床，河床年際間變化不大。

山區(qū)河流的河床質(zhì)多由礫卵石或沙卵石組成，所流經(jīng)的地區(qū)坡面陡峻，徑流模數(shù)大，匯流時(shí)間較短。洪水暴漲暴落是山區(qū)河流重要的坡面洪水特點(diǎn)，在暴雨集中地區(qū)尤為顯著，暴雨與山洪往往同時(shí)發(fā)生，但一般洪水持續(xù)時(shí)間不長，降雨過后，河道又恢復(fù)原來的低水細(xì)流。流量與水位變幅大是山區(qū)河流又一個(gè)重要的坡面洪水特點(diǎn)。受河床形態(tài)及水流條件影響，山區(qū)河流水面比降一般都較大，且沿程分布極不均勻，絕大部分落差集中在局部河段。河床上存在急彎、石梁、卡口等灘險(xiǎn)，形成很大的橫比降，同時(shí)山區(qū)河流的流態(tài)十分險(xiǎn)惡，常有回流、漩渦、跌水等現(xiàn)象出現(xiàn)。

2 實(shí)例分析多級(jí)跌水階梯消能計(jì)算

2.1 實(shí)例基本概況 實(shí)例位于西南某丘陵山區(qū)內(nèi)，屬璧北河右岸一級(jí)支流，縉云山山脈北麓小山溪性河流，河溝全流域面積0.73km2，干流長度2.06km，河道比降為197‰。河溝在總平面走線布置時(shí)，由于原河道橫跨項(xiàng)目建設(shè)地，根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃，原河道嚴(yán)重影響了項(xiàng)目的整體推進(jìn)。綜合考慮地塊規(guī)劃和減少工程量，為提高項(xiàng)目區(qū)整體防洪能力，改善水生態(tài)環(huán)境，完善項(xiàng)目區(qū)配套建設(shè)。本工程河段主要采用護(hù)腳擋墻+碾壓土石斜坡體護(hù)岸（C15混凝土格構(gòu)護(hù)坡）的工程治理型式?？紤]到河道縱坡較陡（高差57m），因此，考慮在河道底部設(shè)置多級(jí)跌水，共計(jì)56級(jí)階梯，階梯寬3m，單級(jí)階梯高差1.6m，每級(jí)長度根據(jù)河道縱坡確定，長度為2.5～4.5m，末端布置寬頂堰，堰高0.6m，頂部與護(hù)腳擋墻頂部齊平，寬0.5m，底板與上一段梯坎末端相接。樁號(hào)K0+200.00～K0+459.00段河底全斷面采用3.0m寬30cm厚C25鋼筋混凝土+10cm厚碎石墊層護(hù)底。其布置型式如圖1：

2.2 計(jì)算方法及條件 整治后河道上游段為階梯消能工，且為新辟河道，故無法進(jìn)行建設(shè)前后水面線比較，各級(jí)跌坎坎頂水位采用多級(jí)跌水計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。各級(jí)水力要素計(jì)算采用上一級(jí)跌坎坎頂?shù)乃詈托羞M(jìn)流速作為邊界條件進(jìn)行計(jì)算，其中上游第一級(jí)跌坎計(jì)算的水位及行進(jìn)流速，采用水位流量關(guān)系中已確定的參數(shù)計(jì)算。此外，本次河道縱坡較陡，下游最末級(jí)跌坎之后的河段，最小縱坡為120‰，根據(jù)河道形態(tài)、設(shè)計(jì)洪水流量，建設(shè)前后河道斷面單寬流量、河床糙率等因素計(jì)算，工程河段臨界底坡為6.29‰，故本工程河段建設(shè)前后均為急流形態(tài)。工程建設(shè)前，天然水面線采用伯努利方程進(jìn)行計(jì)算，工程建設(shè)后，水面線采用分段求和法計(jì)算。由此，本次工程河段，根據(jù)建筑物具體形式，上游200m河段由于建設(shè)了階梯消能工，采用多級(jí)跌水公式計(jì)算各級(jí)坎頂水深及其他水力要素，屬新辟河段，故未計(jì)算天然情況水流形態(tài)。通過天然河道水面線計(jì)算及工程建設(shè)后的水面線計(jì)算得出，多級(jí)跌水消能河段的設(shè)計(jì)流量為10.8m/s（P=1%）、9.59m/s（P=2%）。

2.3 多級(jí)跌水水力學(xué)計(jì)算 各級(jí)跌坎坎頂水位采用多級(jí)跌水計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算方法如下：進(jìn)口為等寬矩形缺口，下為垂直跌水墻，本次跌水水力學(xué)要素按照多級(jí)跌水計(jì)算，跌水跌入消力池后，產(chǎn)生水躍，并通過消力坎再跌入下一級(jí)，通過公式計(jì)算可以得到每一級(jí)的坎頂水深，依據(jù)水深及寬度，可以推算每一級(jí)坎頂流速值。

水舌后水深hp=D0.22P

收縮水深hc=0.54D0.425P

躍后水深hc″=1.66D0.27P

式中：[D=q2gP3]，q—單寬流量（m3/s）；

第一級(jí)，消力坎高c1=1.05hc″-H1

坎定水頭[H10=qm2g23]，m根據(jù)消力坎型式一般采用矩形實(shí)用堰堰流系數(shù)m=0.42

坎頂水深[H1=H10-q22ghc2]

后續(xù)逐級(jí)，同理計(jì)算。

其中第一級(jí)跌差為P1，Pi為各級(jí)跌水墻高度；

如設(shè)有消力坎，則第i級(jí)跌差=Pi+Ci。

各級(jí)水力要素計(jì)算采用上一級(jí)跌坎坎頂?shù)乃詈托羞M(jìn)流速作為邊界條件進(jìn)行計(jì)算，其中上游第一級(jí)跌坎計(jì)算的水位計(jì)行進(jìn)流速，采用上游端斷面處水位流量關(guān)系中確定的參數(shù)計(jì)算。

2.4 計(jì)算結(jié)果 本次通過階梯消能設(shè)施建設(shè)，以充分降低陡坡段流速，保障河道底坡及護(hù)岸的穩(wěn)定安全。實(shí)例河段落差57m，共設(shè)56級(jí)跌坎，單級(jí)跌坎落差1m，其中跌水末端設(shè)有消能坎消能，坎高0.60m，根據(jù)前述多級(jí)跌水水力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算各級(jí)跌坎水力學(xué)要素。根據(jù)計(jì)算成果可見表1和表2，跌水結(jié)合消能坎消能效果較好，能夠?qū)⒘魉俜€(wěn)定在一個(gè)較為穩(wěn)定的范圍，100a一遇和50a一遇時(shí)，階梯消能段穩(wěn)定流速分別為由10.8m/s（P=1%）降至2.57m/s，9.59m/s（P=2%）降至2.46m/s。可以看出，多級(jí)跌水消能效果較好。

3 結(jié)論

通過實(shí)例中多級(jí)跌水的消能計(jì)算，分析了多級(jí)跌水在河道消能中起到的重要作用。跌水建筑物將上游渠道（河、溝、水庫、塘、排水區(qū)等）水流自由跌落到下游渠道（河、溝、水庫、塘、排水區(qū)等）。根據(jù)落差大小，因地制宜地將跌水可做成單級(jí)或多級(jí)，能明顯降低坡面洪水的流速，從而減小河流坡面洪水對(duì)底坡及沿線岸坡的沖刷和危害，保護(hù)河道岸坡穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)工程措施與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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