某山区溢洪道流态优化和消能试验研究

胡良明　胡志鹏　谢学东　郭新蕾　王涛

摘 要：某山地溢洪道入流角度过大，且水流受圆弧段弯道离心力的影响，溢洪道外侧水体壅高明显，严重影响下游的衔接消能。在不改变原平面布置情况下，采用物理模型试验方法对溢洪道进行了优化设计，上游入水口及弯道衔接段设导流墩，下游陡槽段采用台阶式溢洪道的防冲消能体形，并对水流流态及消能率等方面进行了试验研究。结果表明：上游进口段水流分布均匀，衔接段水面线明显降低，台阶段呈现稳定的滑行流。实测台阶式溢洪道消能效率达到了87%，消能效果良好，流态稳定。

关键词：物理模型试验;台阶式溢洪道;水流流态;消能率;导流墩

中图分类号：TV131.61   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.017

Experimental Study on Flow Regime Optimization and Energy Dissipation of a

Flood Spillaway in a Mountainous Area

HU Liangming1， HU Zhipeng1， XIE Xuedong2， GUO Xinlei3， WANG Tao3

（1.School of Water Science and Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China;

2.Ningxia and Inner Mongolia Bureau of Hydrology and Water Resources， YRCC， Baotou 014030， China;

3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China）

Abstract：The inflow angle of a mountain spillway is too large and the water flow is affected by the centrifugal force of the curved section of the circular arc. The outside water body of the spillway is obviously high， which seriously affects the downstream energy dissipation. The physical model test method was used to optimize the design of the flood spillway without changing the original plane layout. The upstream water inlet and the curve connecting section were provided with diversion piers and the downstream steep trough section adopted the anti-scour energy dissipation type of the stepped spillway. Then it carried out experimental research on the flow state and energy dissipation rate of the water flow. The results show that the water flow in the upstream inlet section is evenly distributed， the water surface line in the connecting section is obviously reduced and the stage shows a stable taxiing flow. The measured energy efficiency of the stepped spillway reaches 87%， the energy dissipation effect is good， the flow state is stable and it has reference value for similar practical projects.

Key words： physical model test; stepped spillway; water flow regime; energy dissipation ratio; diversion pier

某山地溢洪道位于固体废弃物处置场场区边缘，是汇集场外山坡雨水，并将其排至附近下游河道的泄洪消能工程。在尽量不改变原溢洪道平面线路布置的基础上，分析东侧溢洪道（转弯、陡槽段等）消能设施的适用性，通过系统试验提出安全、经济且合理可行的消能方案。该工程的山地溢洪道分为上游直段明渠段、弯道转弯段、渐变收缩过渡段及下游陡槽段四部分。上游直段明渠底宽10 m，在该段设一进水口，下面紧接内侧半径为65 m的圆弧，宽度为10 m的弯道，弯道弧长约为26 m。下游陡槽段长度约为139 m，落差33 m，坡度较陡，弯道段与下游陡槽段之间通过渐变段连接。

该工程存在的主要问题是：上游入流水流调整角度过大，收缩严重，水流很难保持平顺，加上圆弧离心力对水流的影响，衔接处外侧水体壅高十分明显，非常不利于下游的衔接消能。而且下游陡槽狭窄，原设计方案为底宽仅1 m的梯形渠道，上游因转弯角度过大而产生的不均匀水体会摇摆向下，导致陡槽段流速分布严重不均，加上原有溢洪道结构基础存在一定问题，在消能防冲不到位的情况下，冲刷破坏严重，局部甚至已出现冲毁的情况。因此，为了改善溢洪道内水流流态，对上游来洪进行充分消能，笔者在原设计方案的基础上对该溢洪道进行了重新设计和优化，依據有关规范、规程[1-2]要求，建立了水工物理模型，模拟设计方案下的水力特性、水力要素，并在千年一遇洪水流量（20 m3/s）的工况下开展了方案优化研究，优化后的模型水流流态稳定，下游陡槽段消能效果良好。

1 物理模型试验设计与成果

1.1 物理模型初步设计方案

台阶式溢洪道作为一种新的消能设施在国内外得到了广泛的应用[3-5]。台阶式溢洪道具有消能效率高、工程布置简单等优点，能将大部分能量“化整为零”[6]地消耗掉，其带来的经济效益往往是巨大的[7]。

本试验设计方案是在溢洪道下游段布置多级台阶式溢洪道，其主要参数有：台阶的高度及宽度，泄槽边墙的高度。

（1）台阶高度和宽度的确定。该工程溢洪道设计最大流量为20 m3/s，通过过流能力计算和水面线定性分析，并结合现场地形和地质特点，下游调整后的底宽为3.8 m，此时临界水深hk约为1.4 m，正常水深h0约为0.35 m，满足过流能力要求。根据平面布置图，下游陡槽段长度约为139 m，落差33 m，即平均坡比为33/139，设计时泄槽的倾斜角度基本与山体坡角保持一致。因此，初步设计台阶溢洪道宽度为3.8 m，单个台阶高1 m、宽4.2 m，总台阶个数为33个。在此条件下，小流量时台阶区内可能形成跌流水舌[8]，在跌流区产生完全水跃或者不完全水跃，大流量时台阶内可能形成滑行水流[9-10]。

（2）下游泄槽边墙高度确定。台阶式溢洪道上的水流自掺气过程与光滑溢洪道相似，可分为非掺气区、掺气发展区和掺气充分发展区，即台阶上的水流将首先经过非掺气区，然后从初始掺气点开始逐渐掺气，最终达到稳定[11-12]。初始掺气点一般认为是紊流边界层发展到自由水流表面时的位置。根据Matos等[13-16]的研究成果，初始掺气点的计算公式（适用于台阶坡度θ满足6.8°≤θ≤59°）为

式中：Li为从台阶起点到初始掺气点的长度;k为台阶粗糙高度;Fr为台阶粗糙弗劳德数;h为台阶高度;q为溢洪道流量;g为重力加速度，取9.8 m/s2。

田嘉宁等[17-19]根据试验数据拟合得到的初始掺气点经验公式为

Lik=8.185Fr0.699 3（4）

目前被设计者广泛接受的边墙高度的确定方式是以掺气浓度达到90%的水深为依据。Bieri M等[20]给出了掺气点水深的经验公式：

Y90k=0.58Fr0.6cos θ（5）

式中：Y90为掺气浓度为90%处的水深。

边墙的高度为水深乘以一个安全系数，安全系数一般为1.5～2.0[21]。

根据上述理论和经验公式计算得到Li=21.1 m、Y90=0.96 m，取边墙高为1.5 m。

1.2 物理模型制作

陡槽段物理模型设计依据水力相似原理，对于自由表面水流，当水流处于紊流阻力平方区，即雷诺数大于106时，模型和原型满足几何相似和重力相似。模型拟采用1∶20的比尺，长度比尺为λL，其他相关比尺如下：流速比尺λV=λ1/2L=4.47，流量比尺λQ=λ5/2L=1 788.85，糙率比尺λn=λ5/2L=1.648，时间比尺λT=λ1/2L=4.47，压力比尺λF=λ3L=8 000。

陡槽段原型为混凝土衬砌，其糙率一般为0.013～0.015[22]，相应地模型流道糙率为0.008～0.009，采用一级透明有机玻璃（糙率约为0.008 5）进行模型加工制作，换算为原型糙率为0.013 2，可基本满足糙率相似要求，同时便于观测模型中的水流流态。按照1∶20比例尺制作模型，进水口1、进水口2和进水口3分别连接到实验室的水箱，供水管道的水流经过水箱后形成平稳水流流入溢洪道中。

1.3 初设方案结果分析

为了检验设计方案的合理性，对溢洪道千年一遇洪水流量为20 m3/s工况进行试验，3个进水口流量分配见表1。

通过3个进水口入流，溢洪道流量达到20 m3/s，水流经上游急流段到中间渐变段，在渐变段中间形成水跃，之后下泄入台阶泄洪道，水流流态见图1～图4。

由图1～图4可以看出，初设方案上游段采用圆弧衔接以及下游陡槽段采用台阶式溢洪道的消能体形基本是合适的，过流能力满足要求。初设方案台阶段初始掺气点发生在第6级台阶处，与计算结果一致。经过了掺气发展区后，水流掺气较充分，实测流速最大为8.06 m/s，充分掺气后流速趋于稳定，为7.5 m/s，台阶上水流流态接近滑行流。

2 设计方案优化研究

根据溢洪道初步设计试验结果发现，初设方案存在如下问题：

（1）2#和3#进水口跟主流方向角度较大，明渠内水流分布不均匀，尤其2#进水口水流对对岸冲刷明显，导致水位壅高超过现有溢洪道邊墙高度。

（2）圆弧段受离心力作用，水流偏移明显，流速分布严重不均，水跃引起水流阵发性壅高，局部接近或超过边墙高度。

（3）台阶段消能率虽然较高，但台阶水平方向长度较大，导致水流呈现跌落滑行流状态，一方面水流冲击台阶底板，另一方面出现了比较明显的水翅现象。

因此，针对以上问题对初设方案进行了优化。

2.1 溢洪道优化设计方案

通过多种方案的对比，最终对初设方案进行了如下修改和优化：

（1）下游台阶段台阶由33个增加到66个，即台阶高度由1 m减小到0.5 m，台阶宽度由4.2 m变成2.1 m，见图5。图5 台阶段优化后尺寸

（2）在上游明渠段新加了3个导流墩，其平面布置见图6，实物位置见图7、图8。通过在2#和3#进水口设置1#导流墩和2#导流墩，当2#和3#进口横向流进水流后，保证水流尽量在明渠中分布均匀，减少水流对左岸河床的冲刷。3#导流墩设置在过渡段的中间，导流墩设计右岸高、左岸低的结构，调整因离心力作用而使右岸水面偏高的状态，使水流下泄在台阶时均匀分布。

2.2 溢洪道优化设计试验结果

2.2.1 溢洪道水流流态

经过模型结构优化，最终水流流态明显得到改善，台阶段水流在千年一遇（流量20 m3/s）工况下呈现顺直平滑的滑行流态，且无水翅现象发生。各段流态见图9～图12。

图9 2#进水口和3#进水口附近流态

进口段附近：由图9可知，增加了1#导流墩和2#导流墩后，明渠内水流分布明显均匀，尤其2#进水口水流对对岸冲刷明显减弱，水面起伏变缓，渠中不存在折冲水流，受圆弧段离心力影响，右侧水深略高于左侧水深。

渐变段：安装了1#和2#导流墩之后，3#导流墩安装前后右侧水面线比较如图11所示。其中3#导流墩未装之前，水流向右侧偏流严重，最高点超过现存边墙0.8 m，安装3#导流墩后，水面线变得更加平缓，水深明显变浅并且控制在现存边墙之下。左右两侧水面高差減小，台阶进口两侧水流基本均匀。

台阶段：台阶高度、长度降低后，水面线光滑平顺，水翅现象消失，如图12所示。经实测，台阶段除未掺气的第一、第二台阶水深为1.06 m和0.84 m外（该段边墙高度设计值为2.0 m），其余台阶水深均未超过0.80 m，而掺气段设计边墙高度为1.5 m，安全超高88%以上。因此，考虑到缩尺效应对掺气水流的影响，实际水深在测量水深基础上增加25%的系数，该山地溢洪道台阶段设计满足安全性要求。

2.2.2 溢洪道消能率分析

为计算台阶式溢洪道段的消能率，可对台阶式溢洪道上游和下游的跃前断面水头应用伯努利方程进行检验：

其中

式中：Hmax为台阶起点上游断面的总水头;H1为跃前断面水头;ΔH1为跃前断面水头损失;Hd为台阶溢洪道总高度;yc为溢洪道进口前的临界水深;α为动能修正系数;Q为上游跃前断面流量; A为上游跃前断面湿周;q为下游跃前断面单宽流量。

溢洪道进口前的临界水深为

式中：y1为跃前断面非掺气水深。

Chanson等[14-15]根据试验结果得到台阶式溢洪道跌落水流的消能率计算公式：

经实测，优化设计后的台阶进口断面中间处水深为1.32 m、流速为5.04 m/s，台阶出口断面水深0.8 m、流速为8.63 m/s，两断面落差Hd=31 m，于是yc=1.37 m、H1=4.6 m、η=0.87。采用Chanson等[14-15]的消能率计算公式得η=0.916 6。两种算法结果相近，该方案消能效果较好。

3 结 论

通过对该山地溢洪道工程的初步设计试验发现，进口段水流方向角度较大，溢洪道内水流流态分布严重不均，且下游台阶段有水翅现象发生，有水滴溅出边墙，为了改善溢洪道内水流流态，对溢洪道结构体形进行了一系列优化试验研究，得到如下主要结论：

（1）增加1#导流墩和2#导流墩后，进水口处水流流态明显改善，水面起伏较缓，折冲水流消失，大大减轻了对边墙的冲刷。

（2）增加3#导流墩后，台阶进口段附近水面线最大降低1.0 m，由超过原边墙线0.8 m变为渐变段水面线均在现存边墙线以下，两边水流分布更趋于均匀。

（3）优化设计后台阶段水流均匀下泄，形成了光滑流动的滑行流，而在初步设计方案中，到第6个台阶两侧下泄水流才开始变得均匀。台阶段消能率为87%，流态明显改善，每级台阶内形成的稳定旋涡对滑行水流起到顶托作用，使底板免受水流冲击，且初设方案中的水翅现象消失。设计的溢洪道边墙高度确保了过流能力同时有合理的超高。

基于物理模型试验，在千年一遇洪水的设计工况下，对溢洪道结构体形进行了优化调整，优化后溢洪道上游明渠、下游陡槽过流均匀，衔接良好，台阶式溢洪道消能充分，达到了优化的目的，为其他工程提供了参考和借鉴。

采用导流墩及台阶式溢洪道的联合消能防冲体形，稳定了溢洪道内的水流流态，消除了水翅现象，且消能效果十分显著，减弱了水流对溢洪道的冲刷，提高了结构的安全性和稳定性。

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【责任编辑 张华岩】

收稿日期：2019-05-20

基金项目：国家重点研发计划课题（2017YFC0405103）;国家自然科学基金资助项目（51679262）

作者简介：胡良明（1963—），男，河南光山人，教授，博士，研究方向为水工新材料与结构性能、水工结构抗震分析等

通信作者：王涛（1975—），女，河南南阳人，教授级高级工程师，博士，研究方向为水工水力学

E-mail：taozy163@163.com