延安黄河引水工程新舍古倒虹溢流渠的设计优化

刘桓辰

传统消能方式一般采用挑流、水跃形成面流或消力池形成底流消能，并且整个溢流过程中，为了防止产生空蚀破坏，需要设置相应的掺气设施，使得设计及施工难度都大大增加。台阶式消能工在传统消能方式之外，通过将陡坡段底部做成若干个尺寸相同的台阶，使水流变成掺气，水深增大，从而达到降低水流流速，从而减少工程布置及设计施工难度。目前台阶式消能工在国内外水库工程已经被大量采用。本文结合相关文献研究成果，对延安黄河引水工程新舍古倒虹溢流渠进行优化设计，达到了减少了溢流渠末端流速并减少空蚀的目的。

1 工程概况

延安黄河引水工程位于延安市东北部，是以黄河和清涧河为取水水源的长距离引水工程。该工程共有3条输水线路，主线路为黄延线。黄河取水口位于延川县延水关镇王家渠东南黄河右岸，清涧河取水口位于延川县城北上湾大桥下游约50 m处清涧河左岸。引水线路共4条：黄延线从黄河右岸延水关二级站起，主要沿张家河、文安驿川、西沟、延河布置至延安东川水厂；子长线从新舍古五级站起，主要沿永坪川布置至子长工业园；延长线从黄延线甘谷驿分水点起，沿延河布置至杨家湾工业园；高清线从清涧低坝枢纽起，沿清涧河至高家湾水厂。工程年取水规模8977万m3，工程设计水平年为2020年，水平年人口总规模70.36万人。工程设计最高日取水量为36.29万 m3/d。

文安驿川新舍古倒虹作为黄延线上五级站前的控制性工程，洪水标准为30年一遇设计，50年一遇洪水校核。采用单根DN10001.6 MPa的钢管跨文安驿河，倒虹上游侧为新舍古隧洞出口，下游侧为新舍古五级站前池。倒虹设计流量为3.02 m3/s。

2 溢流渠的设计

受地形限制等因素影响，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线上方，与管线轴线一致。溢流堰采用宽顶堰设计，宽顶堰沿水流方向长0.6 m，上游与新舍古隧洞出口相连，下游接1∶1.2的陡槽至河道深泓点附近设消力池进行消能。整个宽顶堰段，陡槽段及消力池段沿河道水流方向长度均为3.4m。文安驿河对应河道深泓点高程787.75m。根据整个管线段的水力计算成果，溢流堰顶高程801.60m。

原设计采用宽顶堰+陡槽+消力池的方式。根据对宽顶堰过流能力的计算，在满足过流能力的条件下，求得宽顶堰末端的水深，并与临街水深进行对比，最终取合理值作为陡槽段起始断面计算水深。根据设计成果，陡槽段计算起始断面水深h0=0.44 m，v=2.31 m/s。

根据上述计算成果推算陡槽段水力要素。陡槽段计算主要目的是推求陡槽末端的水流流速以及对应的跃前水深，以此来作为下游消力池的设计计算依据。根据布置情况，整个陡槽段长14.88 m，按照能量方程分段求解水力要素[1]：

式中，Δl为分段长度；h1、h2分别为始、末断面水深；v1、v2分别对始、末断面流速；i为陡槽底坡，i=tgθ。计算成果见表1。

根据计算成果可以得知，陡槽段水流平均流速在逐渐增大，对应水深逐渐减小。在陡槽段末段，平均流速达到13.29m/s，已经接近高速水流的范围。对于原设计方案，在陡槽末点不仅需要设计相关的掺气设施，防止产生空化空蚀，进而对整个工程产生破坏性的影响，还要在施工过程中严格控制施工质量，表面保持光滑平顺，来尽量减少负压。

表1 陡槽段水力计算成果表

原设计虽然充分考虑地形限制等因素，设计为宽顶堰+陡槽+消力池联合溢流消能，但是并未充分考虑陡槽末端的高速水流问题。由于原设计方案存在高速水流等不利因素，导致整个溢流段的水流流态严重变差，在设计使用年限内容易对整个倒虹工程造成破坏，从而影响到整个工程的安全稳定运行。因此，在维持现有地形条件的情况下，对原设计的优化就显得十分有必要。

3 台阶式消能工的优化设计

3.1 台阶式消能工的消能特性

台阶式消能的方式与传统的挑流、面流与底流消能均有所不同。台阶式消能工是在下泄陡槽中以台阶来代替斜坡，相当于表面溢流渠表面粗糙度的增加，使下泄水流在各个台阶上发生剧烈旋滚，产生充分的掺气水流，导致下泄水流紊动增大，消耗部分水流能量，改善陡槽内水流条件，进而达到简化消能措施的目的。台阶式消能工既不同于单纯的陡坡，也与多级跌水消能不同。单个台阶尺寸过小，水流流经时在台阶附近无法进行充分旋滚，使水流进行有效的掺气，达不到消能效果；单个台阶尺寸过大，水流流经时流速降低，导致水流完全贴壁流过，同样无法形成掺气水流，其消能效果与陡坎无异。

3.2 对原设计方案的优化

针对上述设计存在的问题，考虑两种方案对整个陡槽段进行优化：

方案1，维持宽顶堰体型不变，采用较缓坡比对陡槽段进行优化。该方案即将陡槽段坡比放缓为1∶2，这样可以相应减少陡槽段末端流速，并且减小消力池尺寸。

方案2，维持宽顶堰体型不变，采用台阶式消能工对陡槽段进行优化。该方案是维持陡槽段的1∶1.2坡比不变，对整个陡槽段底板增加台阶式消能工，并减小或者取消消力池。

上述两个方案均可以实现减小陡槽段流速的效果，并且在工程实际中也切实可行。但是，整个倒虹跨文安驿川河道，采用方案1时，溢流段与周围地形衔接不平顺，凸起过大，且减小河道行洪断面，造成局部雍水，经计算，将坡比由1∶1.2放缓为1∶2之后，整个河道的行洪断面由原来的41.6m被缩窄至35.7 m，河道断面过水面积减小了14.2%，从而导致倒虹断面设计洪水位抬升0.36m，这使得周围相关建筑物的设防高程也会随之抬高，从而增加工程周期增大工程投资。方案1虽然对于倒虹本身来说，工程措施是可行的，但是对于整个新舍古隧洞出口附近的建筑物影响过大，波及面太广，从整个工程的角度来说，方案1是不可行的。方案2维持了陡槽段1∶1.2的坡比，整个溢流段与周围地形衔接平顺，没有过大的凸起或凹陷，不会对束窄河道行洪断面，并且方案2也不会对周围其它建筑物的设计造成影响，不论从倒虹本身还是从整个工程来说，方案2都是一个可行的方案。

根据本工程倒虹的具体布置，考虑到施工方便等因素，结合原设计中陡槽段起点水深及流速大小，按照下式来确定台阶尺寸：

式中，Δ为台阶高度，m；T为台阶宽度，m；θ为水平夹角。陡槽段采用单个尺寸为Δ×T=0.6 m×0.5 m的台阶优化设计。根据现有研究成果，在末端自由溢流的情况下，台阶式消能工末端流速与下泄流量关系如下[2]：

其中，V为末端流速，m/s；Δ为台阶高度，m；q为单宽流量，m3/s；P为陡槽总高度，m；E为陡槽末端水头。按照本工程设计，经计算，陡槽末点断面流速V=4.06 m/s。

4 结论

通过上述优设计，可以得知台阶式消能工在陡槽末端断面流速大幅度降低，优化后的末端断面流速是原设计方案的30.3%。消能工的设计以消能率来进行衡量，本文按照能量方程对优化设计前后的两种消能方式的消能率进行计算。根据消能率的计算公式[3]：

其中，η为消能率，%；E1为起始断面水头，m；E2为末端断面水头，m。对于原设计方案，η=35.6%；对于优化后方案，η=92.9%。

计算结果表明，在整个倒虹布置基本维持原设计不变的情况下，将陡槽段改为台阶式消能工，可大幅提高消能率。陡槽的末端流速由原设计的13.29 m/s降低至优化后的4.06 m/s。通过对新舍古倒虹溢流段的优化设计，可减少下游消力池尺寸，取消了相应的防空蚀设计，在现有地形的约束下，简化了溢流消能设计，同时也降低了工程投资，保证工程施工工期及工程质量，使其能够长期稳定地发挥效益。

[1]SL 253-2000，溢洪道设计规范[S].

[2]毕程敏，付凯，哈建强.台阶式消能方式的论述[J].实用技术，2013-10：40,47.

[3]田佳宁，大津岩夫，李建中，安田阳一.台阶式溢洪道各流况的消能特性[J].水利学报，2003-4：35-39.