延安黃河引水工程新舍古倒虹溢流渠的設計優化

劉桓辰

傳統消能方式一般采用挑流、水躍形成面流或消力池形成底流消能，并且整個溢流過程中，為了防止產生空蝕破壞，需要設置相應的摻氣設施，使得設計及施工難度都大大增加。臺階式消能工在傳統消能方式之外，通過將陡坡段底部做成若干個尺寸相同的臺階，使水流變成摻氣，水深增大，從而達到降低水流流速，從而減少工程布置及設計施工難度。目前臺階式消能工在國內外水庫工程已經被大量采用。本文結合相關文獻研究成果，對延安黃河引水工程新舍古倒虹溢流渠進行優化設計，達到了減少了溢流渠末端流速并減少空蝕的目的。

1 工程概況

延安黃河引水工程位于延安市東北部，是以黃河和清澗河為取水水源的長距離引水工程。該工程共有3條輸水線路，主線路為黃延線。黃河取水口位于延川縣延水關鎮王家渠東南黃河右岸，清澗河取水口位于延川縣城北上灣大橋下游約50 m處清澗河左岸。引水線路共4條：黃延線從黃河右岸延水關二級站起，主要沿張家河、文安驛川、西溝、延河布置至延安東川水廠；子長線從新舍古五級站起，主要沿永坪川布置至子長工業園；延長線從黃延線甘谷驛分水點起，沿延河布置至楊家灣工業園；高清線從清澗低壩樞紐起，沿清澗河至高家灣水廠。工程年取水規模8977萬m3，工程設計水平年為2020年，水平年人口總規模70.36萬人。工程設計最高日取水量為36.29萬 m3/d。

文安驛川新舍古倒虹作為黃延線上五級站前的控制性工程，洪水標準為30年一遇設計，50年一遇洪水校核。采用單根DN10001.6 MPa的鋼管跨文安驛河，倒虹上游側為新舍古隧洞出口，下游側為新舍古五級站前池。倒虹設計流量為3.02 m3/s。

2 溢流渠的設計

受地形限制等因素影響，倒虹溢流堰采用正向溢流堰形式布置，即溢流堰布置于倒虹管線上方，與管線軸線一致。溢流堰采用寬頂堰設計，寬頂堰沿水流方向長0.6 m，上游與新舍古隧洞出口相連，下游接1∶1.2的陡槽至河道深泓點附近設消力池進行消能。整個寬頂堰段，陡槽段及消力池段沿河道水流方向長度均為3.4m。文安驛河對應河道深泓點高程787.75m。根據整個管線段的水力計算成果，溢流堰頂高程801.60m。

原設計采用寬頂堰+陡槽+消力池的方式。根據對寬頂堰過流能力的計算，在滿足過流能力的條件下，求得寬頂堰末端的水深，并與臨街水深進行對比，最終取合理值作為陡槽段起始斷面計算水深。根據設計成果，陡槽段計算起始斷面水深h0=0.44 m，v=2.31 m/s。

根據上述計算成果推算陡槽段水力要素。陡槽段計算主要目的是推求陡槽末端的水流流速以及對應的躍前水深，以此來作為下游消力池的設計計算依據。根據布置情況，整個陡槽段長14.88 m，按照能量方程分段求解水力要素[1]：

式中，Δl為分段長度；h1、h2分別為始、末斷面水深；v1、v2分別對始、末斷面流速；i為陡槽底坡，i=tgθ。計算成果見表1。

根據計算成果可以得知，陡槽段水流平均流速在逐漸增大，對應水深逐漸減小。在陡槽段末段，平均流速達到13.29m/s，已經接近高速水流的范圍。對于原設計方案，在陡槽末點不僅需要設計相關的摻氣設施，防止產生空化空蝕，進而對整個工程產生破壞性的影響，還要在施工過程中嚴格控制施工質量，表面保持光滑平順，來盡量減少負壓。

表1 陡槽段水力計算成果表

原設計雖然充分考慮地形限制等因素，設計為寬頂堰+陡槽+消力池聯合溢流消能，但是并未充分考慮陡槽末端的高速水流問題。由于原設計方案存在高速水流等不利因素，導致整個溢流段的水流流態嚴重變差，在設計使用年限內容易對整個倒虹工程造成破壞，從而影響到整個工程的安全穩定運行。因此，在維持現有地形條件的情況下，對原設計的優化就顯得十分有必要。

3 臺階式消能工的優化設計

3.1 臺階式消能工的消能特性

臺階式消能的方式與傳統的挑流、面流與底流消能均有所不同。臺階式消能工是在下泄陡槽中以臺階來代替斜坡，相當于表面溢流渠表面粗糙度的增加，使下泄水流在各個臺階上發生劇烈旋滾，產生充分的摻氣水流，導致下泄水流紊動增大，消耗部分水流能量，改善陡槽內水流條件，進而達到簡化消能措施的目的。臺階式消能工既不同于單純的陡坡，也與多級跌水消能不同。單個臺階尺寸過小，水流流經時在臺階附近無法進行充分旋滾，使水流進行有效的摻氣，達不到消能效果；單個臺階尺寸過大，水流流經時流速降低，導致水流完全貼壁流過，同樣無法形成摻氣水流，其消能效果與陡坎無異。

3.2 對原設計方案的優化

針對上述設計存在的問題，考慮兩種方案對整個陡槽段進行優化：

方案1，維持寬頂堰體型不變，采用較緩坡比對陡槽段進行優化。該方案即將陡槽段坡比放緩為1∶2，這樣可以相應減少陡槽段末端流速，并且減小消力池尺寸。

方案2，維持寬頂堰體型不變，采用臺階式消能工對陡槽段進行優化。該方案是維持陡槽段的1∶1.2坡比不變，對整個陡槽段底板增加臺階式消能工，并減小或者取消消力池。

上述兩個方案均可以實現減小陡槽段流速的效果，并且在工程實際中也切實可行。但是，整個倒虹跨文安驛川河道，采用方案1時，溢流段與周圍地形銜接不平順，凸起過大，且減小河道行洪斷面，造成局部雍水，經計算，將坡比由1∶1.2放緩為1∶2之后，整個河道的行洪斷面由原來的41.6m被縮窄至35.7 m，河道斷面過水面積減小了14.2%，從而導致倒虹斷面設計洪水位抬升0.36m，這使得周圍相關建筑物的設防高程也會隨之抬高，從而增加工程周期增大工程投資。方案1雖然對于倒虹本身來說，工程措施是可行的，但是對于整個新舍古隧洞出口附近的建筑物影響過大，波及面太廣，從整個工程的角度來說，方案1是不可行的。方案2維持了陡槽段1∶1.2的坡比，整個溢流段與周圍地形銜接平順，沒有過大的凸起或凹陷，不會對束窄河道行洪斷面，并且方案2也不會對周圍其它建筑物的設計造成影響，不論從倒虹本身還是從整個工程來說，方案2都是一個可行的方案。

根據本工程倒虹的具體布置，考慮到施工方便等因素，結合原設計中陡槽段起點水深及流速大小，按照下式來確定臺階尺寸：

式中，Δ為臺階高度，m；T為臺階寬度，m；θ為水平夾角。陡槽段采用單個尺寸為Δ×T=0.6 m×0.5 m的臺階優化設計。根據現有研究成果，在末端自由溢流的情況下，臺階式消能工末端流速與下泄流量關系如下[2]：

其中，V為末端流速，m/s；Δ為臺階高度，m；q為單寬流量，m3/s；P為陡槽總高度，m；E為陡槽末端水頭。按照本工程設計，經計算，陡槽末點斷面流速V=4.06 m/s。

4 結論

通過上述優設計，可以得知臺階式消能工在陡槽末端斷面流速大幅度降低，優化后的末端斷面流速是原設計方案的30.3%。消能工的設計以消能率來進行衡量，本文按照能量方程對優化設計前后的兩種消能方式的消能率進行計算。根據消能率的計算公式[3]：

其中，η為消能率，%；E1為起始斷面水頭，m；E2為末端斷面水頭，m。對于原設計方案，η=35.6%；對于優化后方案，η=92.9%。

計算結果表明，在整個倒虹布置基本維持原設計不變的情況下，將陡槽段改為臺階式消能工，可大幅提高消能率。陡槽的末端流速由原設計的13.29 m/s降低至優化后的4.06 m/s。通過對新舍古倒虹溢流段的優化設計，可減少下游消力池尺寸，取消了相應的防空蝕設計，在現有地形的約束下，簡化了溢流消能設計，同時也降低了工程投資，保證工程施工工期及工程質量，使其能夠長期穩定地發揮效益。

[1]SL 253-2000，溢洪道設計規范[S].

[2]畢程敏，付凱，哈建強.臺階式消能方式的論述[J].實用技術，2013-10：40,47.

[3]田佳寧，大津巖夫，李建中，安田陽一.臺階式溢洪道各流況的消能特性[J].水利學報，2003-4：35-39.