金溝河紅山水庫溢洪道下游消能工優化試驗研究

劉雙喜 武彩萍 李百良 楊祎祎

：水利樞紐泄洪建筑物下游的高速水流沖擊下游河床致使下游河床嚴重沖刷及岸坡淘刷，處理不當可能危及大壩安全。針對金溝河紅山水庫溢洪道下游的消能問題，通過水工模型試驗對溢洪道進行不同工況下的消能效果分析，提出了采用“臺階＋消力池＋消力坎輔助消能工”的綜合消能方案，較好地解決了紅山水庫溢洪道泄洪消能問題，為水庫工程溢洪道下游消能防沖設計提供參考。

關鍵詞：模型試驗；溢洪道；消力池；臺階消能；消力坎；紅山水庫

中圖分類號：ＴＶ６５３ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２５

引用格式：劉雙喜，武彩萍，李百良，等．金溝河紅山水庫溢洪道下游消能工優化試驗研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１３６－１３９，１４５．

溢洪道是水利水電工程中常用的泄水建筑物，一般具有水頭高、流速大的特點，如果不采取工程措施消除余能，那么水流將沖刷下游河床，會造成惡劣的流態，影響樞紐中其他建筑物的正常運行，甚至會危及大壩的安全［１］ 。通過工程消能措施消除下泄水流的余能，可以有效地解決泄水建筑物下游河道的沖刷問題，保護溢洪道及大壩等建筑物的安全。目前，常規的消能方式有底流消能、挑流消能、面流消能、臺階消能等。水利工程的水文地質、地形地貌條件復雜，在水利工程設計過程中，如何合理地選擇溢洪道等建筑物的消能方式，是關系到整個水利工程安全與經濟的重要問題。每個工程應根據各自的特點選擇適宜的消能方式，如：黃河小浪底水利樞紐工程采用的是集中泄流的消能方式，即所有的泄水建筑物（３ 條明流洞、３ 條排沙洞、３條孔板洞共９ 條洞及１ 座溢洪道）都宣泄在同一個水墊塘內，泄水建筑物下游消能除孔板洞外，其余皆采用挑流消能［２－３］ ；段家壩水庫根據工程特點，溢洪道消能采用了跌坎型的底流消能方式，消除下泄水流的余能，保障了工程安全［４］ ；云南省真金萬水庫溢洪道采用階梯＋扭曲挑坎的聯合消能方案，很好地解決了溢洪道的消能防沖問題［５］ 。

本文根據新疆紅山水庫工程特點，基于物理模型試驗對紅山水庫溢洪道出口底流消能、溢洪道臺階消能以及增設輔助消能工的水力特性進行了對比分析，提出了采用“臺階＋底流消能＋消力坎輔助消能工”的綜合消能方案，以較好地解決紅山水庫溢洪道泄洪消能問題，其對同類水利水電工程設計具有一定的參考意義。

１ 工程概況

紅山水庫工程位于新疆維吾爾自治區沙灣縣境內的金溝河出山口處，是一座灌溉、防洪、工業供水兼顧發電等綜合利用的水利工程，是金溝河上的控制性工程，起著龍頭水庫的作用。水庫為Ⅲ等中型工程，總庫容為５ ３４４ 萬ｍ３，水庫樞紐工程由擋水壩、溢洪道、導流兼泄洪沖沙洞、發電引水系統及電站廠房等組成。

該工程擋水和泄水建筑物按１００ ａ 一遇洪水設計（Ｑ ＝７０５．１ ｍ３ ／ ｓ）， ２ ０００ ａ 一遇洪水校核（Ｑ ＝ １ ０５０．１ｍ３ ／ ｓ），泄水建筑物下游消能及防護工程按３０ ａ 一遇洪水設計（Ｑ＝２１１．０ ｍ３ ／ ｓ）。

溢洪道布置在左岸壩肩上，采用開敞式，由進口引渠段、控制段、泄槽段、出口消能段組成。溢洪道設計泄量４４３．７３ ｍ３ ／ ｓ，校核泄量７７３．１１ ｍ３ ／ ｓ。進口控制閘室段進口底板高程８７２．００ ｍ，控制段堰型采用ＷＥＳ堰，堰頂高程８７９．００ ｍ，采用弧形工作門，孔口尺寸為１１ ｍ×８ ｍ（長×寬）。泄槽由陡坡Ⅰ段、拋物線段和陡坡Ⅱ段組成，泄槽寬１１ ｍ，陡坡Ⅰ段縱坡ｉ ＝ １ ∶ ９，陡坡Ⅱ段縱坡ｉ ＝１ ∶ ２．５。出口采用底流消能，消力池長５６ ｍ，底板高程８１９．８２ ｍ，池深４．５ ｍ、寬２０ ｍ。消力池后接長４５ ｍ 護坦段，護坦段底寬由２０ ｍ 擴至４９ ｍ，護坦段后設置了長２０ ｍ 鋼筋石籠柔性海漫與河道平順連接（溢洪道布置見圖１）。

２ 模型設計

依據《水工（常規） 模型試驗規程》（ＳＬ １５５—２０１２）（簡稱《規程》），模型按重力相似準則設計［６－７］ ，根據試驗要求、原型水流特性，結合試驗場地等條件，確定模型幾何比尺λＬ ＝５０，各物理量的比尺與幾何比尺的關系見表１。

３ 原設計方案消能工存在的問題

底流消能是一種傳統的消能方式，通過修建消力池等控制水躍位置，利用水躍引發的表面旋滾和強紊動來消除水流的能量，以減少或防止水躍范圍內發生沖刷。它具有流態穩定、消能效果好、對地質條件和尾水水位變化適應性較強的優勢，且底流消能引起的泄洪霧化很小，對周邊環境影響小［８］ ，因此越來越多的水利工程采用底流消能方式來消除水流能量。紅山水庫溢洪道設計采用底流消能，消力池池長５６ ｍ、深４．５ｍ、寬２０ ｍ。試驗結果表明，該消力池的設計體形在３０ ａ 一遇洪水時池內可以形成完整淹沒水躍，但在設計洪水和校核洪水時池內均形成了遠驅水躍，水躍躍頭分別位于消力池池長１／３ 和１／２ 位置，消力池長度不能充分利用，底流消能不充分。

４ 優化方案試驗結果

針對原設計方案下游消能中存在的問題，對溢洪道消能方案進行優化，消除水流余能，降低進入下游河道的流速、減輕溢洪道泄水對下游河道沖刷，保障工程安全。

４．１ 消力池修改方案

原設計底流消能中溢洪道下泄設計洪水和校核洪水時出現遠驅水躍，表明消力池末端水深小于水躍的共軛水深，要想提高消力池下游水深，一般需要通過增設尾坎或者降低池底高程的方法來解決。根據紅山水庫工程條件，若在消力池末端增設尾坎，水流出消力池后將在下游護坦上產生跌水并沖擊下游護坦，則需要通過降低池底高程來提高消力池下游水深，使各級特征工況下溢洪道下泄水流均能在消力池內形成完整淹沒水躍。通過水力計算和多次模型試驗，將消力池池底高程降低３．０ ｍ，即消力池池深由４．５ ｍ 增加至７．５ ｍ，各級工況下消力池內均能形成完整淹沒水躍，同時將泄槽陡坡Ⅰ段下游連接的拋物線坡面和泄槽陡坡Ⅱ段斜坡比降進行了調整，調整后溢洪道出口段剖面布置如圖２ 所示。

消力池底板高程降低３．０ ｍ 后，各級洪水工況下消力池內均能形成完整的淹沒水躍，消能效果得到了改善。試驗結果表明，各級洪水下由于下游河道水位低，水流出消力池后為跌水，且護坦過流斷面沿程逐漸增大，水深沿程逐漸變小，因此護坦及海漫段水流流速較大。校核洪水下消力池末端斷面平均流速約８．１９ｍ／ ｓ，護坦上最大流速為１２．１４ ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速為為１０．６８ ｍ／ ｓ。設計洪水下消力池末端斷面平均流速約為５．８３ ｍ／ ｓ，護坦上最大流速為９．０５ ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速為６．２５ ｍ／ ｓ。３０ ａ 一遇洪水下消力池末端斷面平均流速約為４．９５ ｍ／ ｓ，護坦上最大流速為６．８２ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速為５．４２ ｍ／ ｓ。

４．２ 增設臺階消能方案

臺階式溢洪道是水利工程中常見的泄洪消能方式之一，通過在陡槽段增設臺階，使得溢流槽面的“表面糙率”增大而耗散能量。其消能機制是水流流過溢洪道臺階時，產生落差跌流并在臺階跌坎內部產生低壓旋渦，致使泄流的紊動急劇加大。紅山水庫溢洪道消力池體形通過修改優化后，下游流態及消能效果得到了改善，但僅采用單一底流消能方式無法滿足下游消能防沖需求。為了提高消能率，將溢洪道陡坡Ⅱ段由光滑式改為臺階式，在該段布設了２３ 個臺階，每個臺階尺寸為水平長２．０ ｍ、高０．８８９ ｍ，下游消力池及護坦尺寸不變，即采用臺階與消力池聯合消能方式，見圖３。

試驗量測了溢洪道采用“臺階＋消力池”聯合消能方式在三級特征洪水工況下消力池末端斷面水力參數，并利用式（１）計算了溢洪道消能率，結果見表２。從表２ 可以看出，增設臺階后，溢洪道消能率由４９．９％～５７．４％提高至８５．０％～９３．７％，推薦設計采用。４．３ 增加輔助消能工方案紅山水庫溢洪道通過在泄槽陡坡段增設臺階，同時對消力池體形進行修改優化后，溢洪道下游消能效果雖然得到了提高，但是各級洪水時下游河道水位較低，護坦及海漫段水深淺、流速大，進入下游河道的水流流速遠大于下游河床抗沖流速（２．２～２．５ ｍ／ ｓ），下游河道沖刷嚴重。為了減輕溢洪道泄水對下游河道沖刷，保障工程安全，采取在護坦上增設多段多排消力坎式的輔助消能工來改善消能效果。按照溢洪道設計規范要求，當流速小于１６ ｍ／ ｓ 時，允許加設各種形式的輔助消能工，以提高消能率。根據試驗量測結果，溢洪道采用“臺階＋消力池”聯合消能方式，校核洪水的護坦段最大流速小于１０ ｍ／ ｓ，因此在護坦段增設輔助消能工滿足規范要求。

經過多組輔助消能工試驗比較，確定在護坦上增設３ 排６ 段連續消力坎，每段長度均為１０ ｍ，３ 排消力坎交錯排列，消力坎平面布置如圖４ 所示。根據護坦水深設置坎高１．０ ｍ，且３ 排消力坎坎高一致，消力坎斷面均為梯形，頂寬０．５ ｍ、底部寬為１．０ ｍ。由于護坦上水深沿程逐漸變淺，為了進一步提高消能率，將第一排和第二排消力坎坎高增高，第一排由１．０ ｍ 抬高至１．５ ｍ，第二排坎高由１．０ ｍ 抬高至１．３ ｍ，為了與下游水流平順連接，將第三排坎高由１．０ ｍ 降低至０．８ ｍ。消力坎不等高方案剖面如圖５ 所示。

試驗量測結果表明，護坦上增設３ 排６ 段連續消力坎，起到了分散水流、加劇水流紊動摻混從而提高消能率的作用，每道消力坎還有迎拒水流，對水流的沖擊產生反作用力，同時消力坎還能將護坦上流速較大的底部水流挑起，改變下游的流速分布，使底部流速減小，從而減輕水流對海漫和河床的沖刷。表３ 為不同方案下海漫末端斷面中底部流速，從表３ 可以看出，在護坦上增設３ 排６ 段連續消力坎輔助消能工，與護坦上未布設消力坎相比，下游海漫末端流速明顯減小，不等高消力坎方案中由于前兩排消力坎高度增加，消力坎阻水作用以及水流紊動作用相應增強，因此消能率提高，推薦采用。

５ 結束語

溢洪道下游消能工體形設計的合理性對溢洪道下游的安全性、經濟性以及工程設計的成敗起著重要作用。本文通過水工模型試驗對新疆紅山水庫溢洪道消能工體形進行了試驗驗證，針對原設計方案溢洪道下游消能存在的問題，對溢洪道下游消能工進行了多種體形修改優化。研究認為，在泄槽陡坡段增設臺階，可以使溢洪道消能率提高３５％左右，護坦上增設消力坎可以有效降低海漫段的流速。研究提出的“臺階＋消力池＋消力坎輔助消能工”綜合消能方案，消能效果十分顯著，較好地解決了紅山水庫溢洪道泄洪消能問題，該成果可供類似工程設計參考和借鑒。

參考文獻：

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【責任編輯 簡 群】