溢洪道消能問題及水工模型試驗方法研究

趙津霆

摘要：溢洪道是保證水庫泄洪能力的重要設施，因其泄下的高速水流具有很強的沖擊力，所以其消能問題備受關注。介紹目前工程中常用的幾種消能方法，闡述利用水工模型進行試驗研究的理論基礎，以期為溢洪道消能問題的研究提供參考。

關鍵詞：溢洪道；泄流；消能；模型試驗

中圖分類號：TV653 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）04-0053-03

改革開放以來，我國不僅在經濟建設方面成績卓著，更在水利工程方面進行了大刀闊斧的改革。水電站、中小型水庫、城市人工河道、橡膠壩、攔河閘等已經成為一些城市中重要的水工建筑物，其不僅承擔供水及防洪任務，還發揮了一定的美化城市作用。溢洪道是一種高效的泄水建筑物，其泄洪能力強，泄下的高速水流具有很強的沖擊力，曾因此發生過很多水工事故。經相關調查和統計，消能工程和運行管理問題占事故發生的1/4；泄中的不對稱入流對消能建筑物造成了直接破壞。

溢洪道消能研究屬于水工水力學領域，各種泄水建筑物消能研究一直是該領域的熱點。水工建筑物消能的目的是通過水壩壩體的孔口、溢洪道等建筑物，將大量的洪水安全地宣泄到下游，減少對下游的沖擊力，保障庫區的安全。消能問題如果處理不善，其下泄的水流會對下游河床造成嚴重的破壞，并影響整個水利樞紐中其他建筑物的安全運行，嚴重的還會對大壩的安全造成影響。泄洪消能的重要性可想而知。溢洪道對水工建筑消能發揮著重要的作用，無論是大型水庫還是一些中小型水庫，在高水頭和低水頭的情況下，溢洪道都能較好地減少泄水對下游的沖擊。根據目前我國已建的水利樞紐的統計，消能形式可以概括為挑流消能、底流消能、臺階式壩面消能等。

一般來說，溢洪道多為開敞式結構，由進水渠、控制段、泄槽段、消能防沖段和水渠段等幾部分組成。溢洪道的布置以岸邊式側槽溢洪道為主。在實際工程中，溢洪道會因地質、結構或充分利用地形在其平面上有一定角度的扭轉，以曲線式的彎道為主，并在整個溢洪道中出現一定的收縮和擴散。

1 溢洪道消能的研究進展

挑流消能在水利工程中已有70 a的歷史，其在高壩工程中應用非常廣泛。據資料統計，在世界上已建成的泄洪建筑物中，壩高大于70 m且采用挑流消能方式的，國內占97.7%，國外占74.4%。挑流消能的效果主要受下游水深河床地質條件、上下游水位差、挑流鼻坎的幾何尺寸、消能段的單寬流量等方面影響。挑流消能應根據一定的地質和水文條件進行優化，尤其是其形式和尺寸，通常以水工模型試驗作為優化的基礎。

底流消能作為一種常規的消能形式，廣泛應用于水工建筑物，其原理是通過水躍產生的表面旋滾和強烈的紊動來降低流速，以達到消能的目的。底流消能具有入池流態穩定、消能效率高、尾水波動小、泄洪霧化影響小的優點，但在高水頭、大流量泄洪樞紐采用這種消能工時，消力池底板水流流速大，保護底板難度很大。為了克服底流消能的缺陷，有學者提出跌坎式底流消能工方案，并以水力學公式作為理論基礎，為工程設計提供依據。對于大單寬流量的水躍，可根據工程實際情況采用一級或多級消力池消能，以達到圓滿的消能效果。

臺階式結構的應用已有3 000 a的歷史，其主要功能是河流防沙和降低渠道落差。RCC臺階式溢洪道具有良好的消能效果，位于美國的上靜水壩首次采用了這種方式，而國內對這種消能方式還未進行廣泛應用，對這種技術所帶來的風險還沒有進行全面的研究。但隨著筑壩技術的發展，這種消能方式將會引起重視，并進一步得到發展

孔板消能是一種新型的消能方式，目前關于這種技術的研究還處于初級階段，許多技術問題尚待開發。其研究方式以物理模型為主，但沒有強有力的數學模型作為支撐，在這方面還需進一步加強。孔板消能主要靠壓力降造成的脈動和水流之間的剪切力。水流通過板孔時，由于流線變化在板孔下游產生漩渦，使水流內部發生撞擊，以達到消能的目的。經試驗觀察，孔板消能的流態比較穩定。

2 溢洪道的水力特性

溢洪道的水力特性主要包括過流能力、水面線、流速分布和堰面壓力。通過長期的理論和試驗研究，得到了一些經驗公式、經驗系數和水力特性的計算方法。但溢洪道的邊界復雜多變，因此相關規范中規定大、中型水利工程的溢洪道必須做模型試驗來驗證其布置及水力設計的合理性。

2.1 過流能力特性

設計水位下的泄量不小于設計下泄流量，則認為滿足過流能力要求；或者設計下泄流量下的水位不高于設計水位，也認為滿足泄流能力的要求。溢洪道利用控制段的閘門控制流量，所以控制段決定了過流能力。為了進一步提高過流能力，可采用折線堰和實用堰方法。過流能力需要看堰流系數，以上兩種方法可將堰流系數提高到0.42。溢洪道的下泄能力也是一項重要指標，下泄流量主要由閘門控制，泄流量可按照公式進行計算。

2.2 水面線特性

好的消能工不僅要滿足泄流能力，還要求泄流穩定。不良的泄流狀態會對溢洪道及附屬建筑物產生不利影響，所以水面線也是溢洪道模型試驗的重要內容。實際工程中常以堰下接槽過渡水流來保證泄流的穩定。利用公式計算水面線，確定邊墻的高度，在高速水流中還應考慮摻氣水深的影響。

2.3 流速分布特性

溢洪道堰面流速大或流速不均會對堰面造成沖刷、震動和空蝕，長此以往對堰面造成破壞，導致溢洪道的安全隱患。物理模型試驗測流速困難，所以通常采用數學模型，量取某橫斷面或縱斷面的流速資料，分析其流速分布。

2.4 堰面壓力

堰面壓力不出現負壓即滿足設計要求。物模試驗中堰面壓力的測量采用測壓管來進行，測點數有限，不能良好地反映壓力分布。而數模試驗中堰面壓力情況則可以一覽無余。

3 水工模型

水工模型是將理論與實踐相關聯的媒介。利用模型仿制實物，根據一定的準則，將水工建筑物制成模型，通過試驗重現實際工程所能出現的情況，評估建筑物所存在的安全隱患，論證其是否具有合理性

3.1 水工模型試驗的目的

驗證水庫溢洪道的水力要素設計計算值，進行流態觀測，研究各種水力現象及泄流設施對溢洪道布置的影響，將其與人工水力計算結果相互驗證，確保工程的運行安全。

3.2 模型設計原理

水工模型試驗是根據水流的力學規律，通過復制與原型相似的邊界條件和動力學條件，建立起來的較原型小的模型。要使模型試驗能夠很好地模擬原型，必須滿足幾何相似、運動相似、動力相似這三方面的相似特征。

3.3 水工模型設計

根據試驗任務要求，模型按重力相似準則設計，選幾何比尺為1∶50的正態定床清水模型，相應的其他物理量比尺為：

流速比尺λv=λL0.5

流量比尺λQ=λL2.5

時間比尺λt=λL0.5

糙率比尺λn=λL1/6

式中：λL為長度比尺；λv為流速比尺；λQ為流量比尺；λt為時間比尺；λn為糙率比尺。

4 結語

關于溢洪道的消能問題，眾多學者都提出了自己的研究方案。在實際工程中選擇時，除了需要考慮工程的實際情況、水工建筑物的等級以及周圍的地質條件、氣候，還要根據不同消能方式所產生的問題進行逐一論證，提出一種比較有利的方案。新的溢洪道消能方法還亟待開發，更多的消能方式應該被挖掘出來并應用到水利工程中去，為我國的水利事業助力。

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