疏勒河灌区昌马总干渠陡坡消能工原型观测分析

杨占荣，雒天峰

(1.甘肃省疏勒河流域水资源局，甘肃 玉门 735211；2.甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

昌马灌区总灌溉面积4.65万hm2，是疏勒河流域三大灌区之一。灌区地势南高北低，海拔高程南部2000m，北部1298m，相对高差100～700m，昌马洪积扇戈壁砾石平原坡降为10‰～15‰，细土平原坡降3‰～5‰。昌马总干渠是昌马灌区的主要输水渠道，总干渠渠首位于昌马峡出山口以下6km处，全长39.98km，设计流量30～65m3/s，渠道坡降为8‰左右。由于渠道比降较大，使得流速加大，且入渠泥沙含量增多、粒径增大。受水流、泥沙的冲刷、磨损，自1958年始建至今，已经过多次改建。2011年实施的改建工程，沿途建设陡坡51座，以减小高速水流、大粒径砂砾石的撞击、磨损对建筑物的破坏。但利用陡坡消能时，陡坡段连接上下游急流渠道时，陡坡段及下游渠道一定范围内的流速将超出渠道允许流速，此时需解决上游平顺泄流和下游充分消能。现今，主要通过底流消能和陡坡加糙，把大部分水流能量集中于下游消力池，高速水流在消力池中形成水跃，利用水跃翻滚区水流的激烈紊动进行消能。同时，在陡坡段和消力池内增加糙条、消力墩、趾墩、T型尾墩、尾坎等一些辅助消能工来提高消能效率[1- 2]。但是，由于陡坡段和消力池内所修建的消能设施在水流过程中会引起水流的旋滚，有时还会造成推移质泥沙磨损消能设施，不仅消能效果不明显，而且会危及消能设施的安全。为进一步分析大比降输水渠道陡坡消能效果，在昌马渠道已改建、具有代表性的47#陡坡上对水流流速、流态、水跃、水深等进行了原型观测，分析消能、抗损效果，以便为大比降、高含沙、大粒径输水渠道的后期维护提供资料支撑。

1 陡坡设计情况

2011年昌马总干渠改建过程中，对部分陡坡进行了拆除重建，设计方案为：陡槽段在原来的基础上进行改建，纵坡为1∶5.3，并以5°～7°的单侧扩散角向外扩散。陡槽底板厚为0.5m，下层为0.3m厚的现浇C20混凝土找平层，表层为0.2m厚的现浇C40硅粉混凝土。陡槽内边坡坡度1∶1，边坡厚0.20～0.30m，侧墙(边坡)0.3m以下的部位现浇一层0.2m厚的C40硅粉混凝土，上部均为现浇C20混凝土。渠道与陡槽进口之间设15m渐变收缩整流段，渐变段底板厚0.4m，下层为现浇C15混凝土，表层为0.2m厚的硅粉混凝土，侧墙(边坡)0.3m以下的部位现浇一层0.2m厚的C40硅粉混凝土，上部为现浇C15混凝土。陡坡下游设消能塘，消能塘底板厚度为0.6m，底板表层为0.2m厚的现浇C40硅粉钢筋混凝土，下部为现浇C20钢筋混凝土。侧墙厚0.2～0.3m，内边坡坡度1∶1。侧墙下部0.3m高的范围内现浇一层0.2m厚的现浇C40硅粉钢筋混凝土，其余部位均为现浇C20钢筋混凝土。为了使水流扩散，减小跃后水深和消能塘的深度，增加消能效果，消能塘自进口以5°～7°的单侧扩散角向外扩散，消能塘出口设15m长的渐变收缩整流段与下游渠道相连。

为进一步达到消能的作用，分别在陡坡段设计高、宽均为20cm的双人字形花岗岩加糙条5组，糙条长度、中心角角度随陡坡宽度的变化而变化，糙条间距均为400cm。在消能塘内分别设计消力墩、尾墩。

2 观测方法

为便于观测，制作长、宽、高分别为1.5m、1.5m、1.2m的钢筋笼，并在钢筋笼上焊制固定水尺及流速仪的U螺栓。为避免钢筋笼的摆动影响观测精度，分别在钢筋笼四角连接钢丝绳，在渠道岸边埋设固定桩。水流流速测量采用旋浆式流速仪，水深、水跃高度观测采用钢制水尺，水跃长度采用米尺观测。观测时利用吊车将观测设备和观测人员吊运至观测点上方。分别观测第一组加糙条上游0.5m、第一组糙条后水跃顶点、第一组消力墩、消力池末端T型消力墩前后30cm的水深及流速。量测第一组、第二组加糙条后的水跃长度、高度。

3 观测结果分析

3.1 水流流速观测分析

对于大比降输水渠道，高速水流冲刷磨损是引起渠道及渠系建筑物损坏的主要因素之一，消能前后水流流速的变化是表征消能措施消能效果的主要表现。在渠道输水流量为9.12m3/s时，经用旋浆式流速仪测定不同部位的水流流速，测定值如图1所示。第一组加糙条上游0.5m处观测到的流速为5.55m2/s，第一组消力墩前30cm的流速为1.92m2/s，消力池末端T型消力墩前后30cm的流速分别为0.99、0.76m2/s。从水流流速的变化量分析，水流流经双人字形加糙条、消能塘、消力墩、尾墩消能后，流速减小86%，说明消能效果较好。

图1 陡坡消能工不同部位的水流流速变化图

3.2 水流流态观测与分析

在观测流量下，陡坡水深为21.6cm，佛汝德数Fr为45.553，即水流的平均动能较大，急速水流在第一组双人字形糙条处，受糙条的阻挡，水流急速向糙条凹形口处靠拢，形成菱形波，然后在糙条上形成水跃，在糙条凸形口处形成的水跃长度、高度分别为3.63、1.18m，在糙条凹形口处形成的水跃长度、高度分别为2.64、0.65m。水跃跌入渠底，受渠底影响，形成波浪，达到掺气作用，往复经过5组人字形糙条，多次变向、掺气，水流波浪浪花逐渐加大，流速减小，进入消能塘后翻滚前进，遇消力墩、尾墩阻挡，流速进一步减小，水深增加。

输水渠道过水断面内受二次水流及自由表面上空气对水流阻滞作用的影响，渠道过水断面内最大流速低于水面，位置处于0.6～0.8倍水深范围内[3- 5]。经分析，双人字形糙条设计高度为20cm，根据陡坡水深与糙条高度对比值，水流最大流速位置与糙条高度基本一致，且水深较浅时流过糙条顶部的水流未受上层水流的压力及摩阻力的限制，导致水跃高度、长度较大，水流掺气量较大，水流在糙条的反复影响下，多次形成“多变向水流”，使水流多次变向，“流核”逐渐消失，并不断掺气，最终在各种消能措施作用下，佛汝德数Fr减小为0.194，变为缓流。

3.3 入渠推移质粒径观测分析

昌马总干渠泥沙入渠问题严重，根据文献[6]的观测结果，昌马总干渠进水闸后，推移质粒径分析见表1，昌马旧总干渠下段入渠推移质粒径为80mm以下，粒径分析见表2。

表1 昌马总干渠进水闸后推移质粒径分析表

表2 昌马旧总干渠下段人渠推移质粒径分析表

2017年昌马总干渠停水期，对47#陡坡下游消能塘中淤积的推移质粒径进行了取样分析，结果见表3。粒径大于90.0mm的卵石占4%，粒径为26.5～16.0mm的砂石所占百分比为27.2%，粒径小于2.36mm的砂石所占百分比为3.6%。47#陡坡基本处于昌马总干渠的末端，但大粒径卵石仍然存在。小粒径砂石受水流的推移，逐渐向下游运移，因此粒径小于2.36mm的砂石所占比例较小。

表3 47#陡坡消能塘淤积推移质粒径分析表

3.4 大粒径推移质运动轨迹观测

卵石在陡坡上运动时，跳跃运动具有极强的随机性，相同的试验条件用同一卵石进行试验，结果可能会有较大差异，卵石跳跃对底板的冲击力约为自身重量的20～25倍，对底板的破坏作用较大[7]。根据昌马总干渠入渠推移质粒径分析结果，挑选粒径大于50.0mm的卵石，用红油漆染成红色，从陡坡上游投入水中，以便观测运移路径。通过人工观测发现，样品石进入陡坡后翻滚前移，到达第一组糙条前沿，受水流菱形波的影响，略向糙条凹形口偏移，撞击糙条后，跳跃翻过糙条，撞击陡坡地板，继续翻滚前移，此时，翻滚幅度相对较大，在糙条间反复翻滚前移、跳跃前进，对陡坡及消能工形成破坏。小粒径砂石受水流的推移，主要对渠道及渠系建筑物产生磨损破坏，而大粒径卵石在渠底翻滚前移，一方面对渠道及建筑产生磨损破坏，同时产生撞击破坏。尤其在陡坡中运移时，对陡坡地板、糙条、消力墩产生锤击效应，破坏明显。

3.5 外观质量观测分析

在停水期对陡坡外观质量进行详细观测，如图2—4所示。昌马总干渠陡坡及消能工自改造后运行至今已4年，受高速水流及大粒径推移质的冲刷、磨损、撞击，陡坡及消能塘地板受损较小，加糙条迎水面棱角处部分破损，但破损面较小，消力墩迎水面底部破损相对严重。这是由于陡坡及消能塘设计中，地板表层衬砌厚度为0.2m的现浇C40硅粉混凝土，消力墩整体采用C40硅粉混凝土浇筑，经用水下钢球发检测，衬砌用C40硅粉混凝土的抗冲磨强度为7.13h/(g·cm-2)，磨损率4.92%，因此，对比混凝土抗冲磨性及地板与消力墩迎水面的破损情况，消力墩破损主要受大粒径推移质的撞击形成。加糙条是花岗岩石条材质，经整体裁制成设计尺寸，硬度较高，因此迎水面破损相对较小。

图2 陡坡运行现状图

图3 人字形糙条迎水面现状图

图4 消力墩迎水面现状图

4 结论

(1)文章分析了昌马总干渠上在观测流量下陡坡消能工不同过水断面上的水流流速，水流流经5组双人字形加糙条、消能塘+消力墩+尾墩后，流速明显减小，陡坡消能工消能效果显著。

(2)观测了水流流经陡坡后，在消能工的作用下，反复形成“多变向水流”，流核消失，掺气量增加，由急流转变为缓流，平均动能急速减小。

(3)大粒径推移质在昌马总干渠陡坡中跳跃、翻滚前移，对陡坡及消能工形成磨损及撞击破坏。设计和施工中使用了C40硅粉混凝土、花岗岩加糙条，通过外观观测，水流冲刷及推移质磨损造成的破坏较小，但大粒径推移质撞击形成的破坏较大。