溢洪道消能问题及水工模型试验方法研究

赵津霆

摘要：溢洪道是保证水库泄洪能力的重要设施，因其泄下的高速水流具有很强的冲击力，所以其消能问题备受关注。介绍目前工程中常用的几种消能方法，阐述利用水工模型进行试验研究的理论基础，以期为溢洪道消能问题的研究提供参考。

关键词：溢洪道；泄流；消能；模型试验

中图分类号：TV653 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）04-0053-03

改革开放以来，我国不仅在经济建设方面成绩卓著，更在水利工程方面进行了大刀阔斧的改革。水电站、中小型水库、城市人工河道、橡胶坝、拦河闸等已经成为一些城市中重要的水工建筑物，其不仅承担供水及防洪任务，还发挥了一定的美化城市作用。溢洪道是一种高效的泄水建筑物，其泄洪能力强，泄下的高速水流具有很强的冲击力，曾因此发生过很多水工事故。经相关调查和统计，消能工程和运行管理问题占事故发生的1/4；泄中的不对称入流对消能建筑物造成了直接破坏。

溢洪道消能研究属于水工水力学领域，各种泄水建筑物消能研究一直是该领域的热点。水工建筑物消能的目的是通过水坝坝体的孔口、溢洪道等建筑物，将大量的洪水安全地宣泄到下游，减少对下游的冲击力，保障库区的安全。消能问题如果处理不善，其下泄的水流会对下游河床造成严重的破坏，并影响整个水利枢纽中其他建筑物的安全运行，严重的还会对大坝的安全造成影响。泄洪消能的重要性可想而知。溢洪道对水工建筑消能发挥着重要的作用，无论是大型水库还是一些中小型水库，在高水头和低水头的情况下，溢洪道都能较好地减少泄水对下游的冲击。根据目前我国已建的水利枢纽的统计，消能形式可以概括为挑流消能、底流消能、台阶式坝面消能等。

一般来说，溢洪道多为开敞式结构，由进水渠、控制段、泄槽段、消能防冲段和水渠段等几部分组成。溢洪道的布置以岸边式侧槽溢洪道为主。在实际工程中，溢洪道会因地质、结构或充分利用地形在其平面上有一定角度的扭转，以曲线式的弯道为主，并在整个溢洪道中出现一定的收缩和扩散。

1 溢洪道消能的研究进展

挑流消能在水利工程中已有70 a的历史，其在高坝工程中应用非常广泛。据资料统计，在世界上已建成的泄洪建筑物中，坝高大于70 m且采用挑流消能方式的，国内占97.7%，国外占74.4%。挑流消能的效果主要受下游水深河床地质条件、上下游水位差、挑流鼻坎的几何尺寸、消能段的单宽流量等方面影响。挑流消能应根据一定的地质和水文条件进行优化，尤其是其形式和尺寸，通常以水工模型试验作为优化的基础。

底流消能作为一种常规的消能形式，广泛应用于水工建筑物，其原理是通过水跃产生的表面旋滚和强烈的紊动来降低流速，以达到消能的目的。底流消能具有入池流态稳定、消能效率高、尾水波动小、泄洪雾化影响小的优点，但在高水头、大流量泄洪枢纽采用这种消能工时，消力池底板水流流速大，保护底板难度很大。为了克服底流消能的缺陷，有学者提出跌坎式底流消能工方案，并以水力学公式作为理论基础，为工程设计提供依据。对于大单宽流量的水跃，可根据工程实际情况采用一级或多级消力池消能，以达到圆满的消能效果。

台阶式结构的应用已有3 000 a的历史，其主要功能是河流防沙和降低渠道落差。RCC台阶式溢洪道具有良好的消能效果，位于美国的上静水坝首次采用了这种方式，而国内对这种消能方式还未进行广泛应用，对这种技术所带来的风险还没有进行全面的研究。但随着筑坝技术的发展，这种消能方式将会引起重视，并进一步得到发展

孔板消能是一种新型的消能方式，目前关于这种技术的研究还处于初级阶段，许多技术问题尚待开发。其研究方式以物理模型为主，但没有强有力的数学模型作为支撑，在这方面还需进一步加强。孔板消能主要靠压力降造成的脉动和水流之间的剪切力。水流通过板孔时，由于流线变化在板孔下游产生漩涡，使水流内部发生撞击，以达到消能的目的。经试验观察，孔板消能的流态比较稳定。

2 溢洪道的水力特性

溢洪道的水力特性主要包括过流能力、水面线、流速分布和堰面压力。通过长期的理论和试验研究，得到了一些经验公式、经验系数和水力特性的计算方法。但溢洪道的边界复杂多变，因此相关规范中规定大、中型水利工程的溢洪道必须做模型试验来验证其布置及水力设计的合理性。

2.1 过流能力特性

设计水位下的泄量不小于设计下泄流量，则认为满足过流能力要求；或者设计下泄流量下的水位不高于设计水位，也认为满足泄流能力的要求。溢洪道利用控制段的闸门控制流量，所以控制段决定了过流能力。为了进一步提高过流能力，可采用折线堰和实用堰方法。过流能力需要看堰流系数，以上两种方法可将堰流系数提高到0.42。溢洪道的下泄能力也是一项重要指标，下泄流量主要由闸门控制，泄流量可按照公式进行计算。

2.2 水面线特性

好的消能工不仅要满足泄流能力，还要求泄流稳定。不良的泄流状态会对溢洪道及附属建筑物产生不利影响，所以水面线也是溢洪道模型试验的重要内容。实际工程中常以堰下接槽过渡水流来保证泄流的稳定。利用公式计算水面线，确定边墙的高度，在高速水流中还应考虑掺气水深的影响。

2.3 流速分布特性

溢洪道堰面流速大或流速不均会对堰面造成冲刷、震动和空蚀，长此以往对堰面造成破坏，导致溢洪道的安全隐患。物理模型试验测流速困难，所以通常采用数学模型，量取某横断面或纵断面的流速资料，分析其流速分布。

2.4 堰面压力

堰面压力不出现负压即满足设计要求。物模试验中堰面压力的测量采用测压管来进行，测点数有限，不能良好地反映压力分布。而数模试验中堰面压力情况则可以一览无余。

3 水工模型

水工模型是将理论与实践相关联的媒介。利用模型仿制实物，根据一定的准则，将水工建筑物制成模型，通过试验重现实际工程所能出现的情况，评估建筑物所存在的安全隐患，论证其是否具有合理性

3.1 水工模型试验的目的

验证水库溢洪道的水力要素设计计算值，进行流态观测，研究各种水力现象及泄流设施对溢洪道布置的影响，将其与人工水力计算结果相互验证，确保工程的运行安全。

3.2 模型设计原理

水工模型试验是根据水流的力学规律，通过复制与原型相似的边界条件和动力学条件，建立起来的较原型小的模型。要使模型试验能够很好地模拟原型，必须满足几何相似、运动相似、动力相似这三方面的相似特征。

3.3 水工模型设计

根据试验任务要求，模型按重力相似准则设计，选几何比尺为1∶50的正态定床清水模型，相应的其他物理量比尺为：

流速比尺λv=λL0.5

流量比尺λQ=λL2.5

时间比尺λt=λL0.5

糙率比尺λn=λL1/6

式中：λL为长度比尺；λv为流速比尺；λQ为流量比尺；λt为时间比尺；λn为糙率比尺。

4 结语

关于溢洪道的消能问题，众多学者都提出了自己的研究方案。在实际工程中选择时，除了需要考虑工程的实际情况、水工建筑物的等级以及周围的地质条件、气候，还要根据不同消能方式所产生的问题进行逐一论证，提出一种比较有利的方案。新的溢洪道消能方法还亟待开发，更多的消能方式应该被挖掘出来并应用到水利工程中去，为我国的水利事业助力。

参考文献

[1] 瑞文.高坝挑流消能述评[J].云南水力发电，1998（3）：15-19.

[2] 宋晓红，孙智一，谢昆亮.溢洪道挑流鼻坎几何尺寸的确定[J].水利科技与经济，2004，10（6）：340-341.

[3] 姚文玲.那新水电站溢洪道出口挑坎结构形式的试验研究[J].红水河，2007，26（4）：32-34.

[4] 曾雄辉，程浩，李延农.向家坝水电站泄洪消能方案构思与初步研究[J].水力发电，2004，30（4）：21-23.

[5] 王海军，张强，唐涛.跌坎式底流消能下的消能机理与水力计算[J].水利水电技术，2008，39（4）：46-48.

[6] 朱健荣.自马水库溢洪道增设T形墩消能设计[J].湖南水利水电，2001（3）：3-4.

[7] 陆民安.百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计与研究[J].广西水利水电，2004（2）：53-56.

[8] 艾克明.江垭大坝漫溢最大可能洪水（PMF）的水力计算[J].湖南水利水电，1997（5）：5-9.

[9] 殷保合.黄河小浪底水利枢纽工程（第二卷：枢纽设计）[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

[10] 王世夏.水工设计的理论和方法[M].北京：中国水利水电出版社，2000.