階梯式陡坡消能在山地城市截洪溝的應用

項文月

(重慶交通大學 重慶 400000)

階梯式陡坡消能在山地城市截洪溝的應用

項文月

(重慶交通大學 重慶 400000)

在山地城市截洪溝往往需要修建陡坡、跌水等落差建筑物用以連接上下游渠道。常見的陡坡有光滑陡坡和階梯式陡坡，與光滑式陡坡相比，階梯式陡坡增大了溢流槽的“糙率”，使消能效率大大提高。經研究發現階梯式陡坡消能的效率大于50%，同時減小下游消力池的長度和深度，特別適用于中小型水利工程的效能減速[1]。

階梯式陡坡；消能；山地城市

一、引言

近年來，各地城市化進程不斷加快，越來越多的開發項目興建在山區或者丘陵地區，這使得山坡排洪問題日益突出，為了解決這一問題往往需要依山修建截洪溝從而把山坡洪水安全引入下游的市政排水系統中。然而山地城市地形復雜，縱坡變化大，截洪溝的平面設計往往面臨距離短，高差大的陡坡，如何結合地形選擇合理的跌水消能工是截洪溝設計時面臨的必然問題，實踐證明在陡坡地段采用階梯急流槽跌水工藝處理截洪溝高跌差能較好地解決問題。

二、階梯式陡坡消能工藝構造

階梯式陡坡的坡度一般大于臨界坡度，一般取1:5～1:2.5，目的是在很短的距離內在水面落差很大的情況下解決水流消能的問題。階梯式陡坡消能工是將陡坡泄槽段的底部做成若干個小臺階，使水流發生摻氣，水深增大，流速減小，從而增強消能作用的一種消能型式，對于小單寬流量和較淺水深時采用階梯式陡坡消能效果良好，消能率能達到 70%～97%[2]，山地城市截洪溝的設計正好滿足這些條件。階梯的高度應結合陡坡坡度和具體地形進行設置，一般取0.3～0.6m。

三、階梯式陡坡消能水力計算

階梯式陡坡急流槽由進口段、控制段、陡坡段、消能設施和出口段五段組成。其中陡坡段水力參數的計算最為復雜。水深的計算推薦使用Bose和Hager[3]提出的公式，此公式是以摻氣濃度達到90%的水深Y90為依據，公式如下：

k=hcosθ

式中:Y90——摻氣濃度達到90%的水深，m；

k——每級臺階的粗糙高度，m；

θ——斜坡與水平面的夾角，°；

Fr——傅汝德數；

h——每級臺階的高度，m。

流速通過能量守恒方程計算，能量損失通過消能率表示，消能率的計算推薦使用Chanson公式[4]計算，公式如下：

式中:η——消能率；

Hmax——從臺階起點上游斷面的總能量水頭，m；

ΔH1——上、下游斷面的能量損失，m；

yc——臨界水深，m；

Hd——臺階渠道總高度，m。

四、階梯式陡坡消能效率影響因素[5]

經研究階梯式陡坡的消能率隨單寬流量的增大而減小；在單寬流量不變的情況下，消能率隨流程長度呈線性增加；臺階高度增加消能效率增加；豎直高度相同時，消能效率隨坡度先增大后減小，坡度對消能效率的影響較為復雜，建議取0.2～0.4。

五、階梯式陡坡設計要點

(1)陡坡急流槽底板可采取防滲、排水、止水、錨固等必要的工程措施。

(2)陡坡急流槽底板應設置結構縫，其位置應滿足結構布置要求，一般每隔 2m 設一道沉降縫，在地質條件發生變化的地方應加設沉降縫。

(3)陡坡急流槽基礎采用 1:0.15 反坡，分臺階開挖，地基承載力需滿足 0.2MPa。

六、總結

階梯式陡坡消能工是應用在水利工程泄水建筑物的一種新型消能工，它增加了泄水建筑物陡坡段泄流紊動、摻氣和漩滾消能，降低陡坡段流速，簡化了下游消能設施，應用于山地截洪溝處理消能效果良好，同時結構物簡單、造價低，便于現場施工。急流槽水流流態、摻氣過程復雜，實際工程中應加以考慮。

[1]李奇,侯燕鴻，王東海.陡坡臺階式排洪渠道水力計算公式探討[J].給水排水，2015.0353

[2]劉士和《高速水流》[M].北京：科學出版社,2005.

[3]李奇,侯燕鴻，王東海.陡坡臺階式排洪渠道水力計算公式探討[J].給水排水，2015.0353

[4]李奇,侯燕鴻，王東海.陡坡臺階式排洪渠道水力計算公式探討[J].給水排水，2015.0353

[5]秦廣莉.臺階式溢洪道消能率影響因素分析[J].水利規劃與設計，2016.02.018.

項文月(1992-)，女，重慶人，研究生，研究方向水工結構工程。