巴溪生态坝降噪方案水工模型试验

李凤滨 范建强

(福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000)

城市滨水区是城市建设规划的核心区域，也成为城市不可多得的亮丽风景线，其设计对改善滨水地带水体的生态环境、提升城市文化内涵、增加公共开放空间、增添城市景观具有重要作用。滨水景观的设计规划类型众多，建设的方向及理念差异较大，有以凸显地域水域特性的设计，比如宁波慈溪白洋湖的滨水景观设计、洛阳洛浦公园地域特色下的滨水景观设计、抚顺浑河沿岸滨水空间设计、武汉滨水住区外部空间设计策略等；有以提升生态活力为方向的设计，有以构筑“海绵城市”为核心的设计等。

滨水景观的设计是一个综合水生态、人文、城市防洪等多角度的学科，其设计过程要综合考虑。目前情况下，部分城市的滨水景观设计美观、环保有余，而防洪、泄洪能力不足，无法达到人与水生态和谐相处的目的。许多滨水生态坝为构建水生态，通常修筑高度较低的挡水坝，其坝型难以达到泄洪、防洪兼顾的目的，诸多坝体设计存在泄流不足，造成水流消能噪声。在此背景下，探求生态坝泄水消能降噪意义重大，社会和经济效益明显。

1 工程概况

永安巴溪河属于永安市内河，此次工程的研究目标为巴溪生态景观1号坝，该坝断面距上游坝体河段长度为660m，距下游河段60m处为南溪中路林化桥。初始工况下，距离坝体下游5～8m位置为消能活跃区，噪声较大，距离该区域临岸0.5m处噪声测值为75dB；坝体右岸80m毗邻居民住宅，之间无障碍物阻挡，住宅临河最近点测得噪声均值为65dB，严重影响居民日常生活及睡眠。

生态景观1号坝，工程类型为重力型溢流坝，防洪标准为30年一遇。枢纽建筑物主要由挡水建筑物、泄水建筑物、消力池三部分组成，正常使用时，溢流坝挡水，堰顶溢流，以保持上游水位固定。同时，工程两岸处设冲沙闸，用来定期冲沙。

工程坝顶设计长度为39m，上游河床高程166.5m，上游堰顶高程为168m，无溢流时景观水深1.5m。坝体下游水深较为恒定，测值约为165m。

2 工程运行工况

永安巴溪生态景观1号坝相关建设参数如下，工程水流边界示意见图1。

图1 永安巴溪生态景观1号坝轮廓及堰上水面线示意

上游河床水平段AB，高程166.5m；堰顶C点高程为168m；挡水高度或景观水深BC段1.5m；自堰顶起，经斜线CD段、过渡衔接曲线DE段、直线EF段、反弧FG段与下游水面衔接。

当前运行工况下，坝前水位约170.2m，坝上水头2.2m，堰顶断面平均流速4.0m/s，坝拦河宽度39m，泄水流量Q为312m3/s，单宽流量q为4m3/(s·m)。

在当前运行模式下，距河80m的临河住宅测得噪声值在65dB左右。经现场分析，引起噪声异常的可能原因如下：

a.坝上水流流速过大，流线收缩变动剧烈。

b.坝上边界C、D、E处非流线特征明显，造成消力池内水流紊乱。

c.消力池内消能效果较差。

针对上述可能引发噪声的原因，拟通过坝面加糙、坝面加高、坝顶降高3种剖面设计方案，构造水工模型，探求最佳的降噪方案。

3 水工模型设计

3.1 模型比尺选择

依据原型消能特点，采用弗劳德相似准则设计本水工模型，在优化选定模型几何比尺Lr=10后，其他参量的比尺如下：

3.2 模型设计优化

目前，在不同设计工况下，水工模型的模拟噪声大小与原型不存在相似(定量)关系，但可测得不同方案下的减噪趋势。为此，综合模型建设及流量控制要求，选定研究原型的宽度为2m，则此时原型流量为8m3/s，模型流量为25L/s。

模型噪声测量设备采用声级计，试验过程的测点选在水流消能最大断面处，距离水面高度5～10cm。

3.3 模型试验模拟工况

模型流量边界：工况一20L/s、工况二25L/s、工况三30L/s。

水工模型采用坝面加糙、坝面加高、坝顶降高3种不同剖面设计形态。

4 水工模型的试验过程

4.1 坝面加糙方案

坝面加糙可增大沿程水头损失，降低水跃消能水头。

坝面加糙的方式及种类众多，本水工模型试验方案采用了工程上较为常见的人字形槛和交错式矩形糙条两种糙面形态，见图2，摒弃了坝面颗粒加糙方法。颗粒加糙易受水流空蚀破坏，在水利工程上较少采用。

初始工况下，隔板高度为0cm，在模型流量为20L/s、25L/s、30L/s时噪声最大测值分别为38dB、40dB、40dB。

模型试验加糙隔板高度选0.5cm、0.8cm、1.0cm三种，1.0cm以上隔板高度对应原型达10cm以上，阻水效果明显，结构体易受水击作用而遭受破坏。

图2 模型坝面加糙两种常见形态

通过模拟流量、糙面形态边界下的水工模型试验，得到坝面加糙工况下的噪声测值，见表1。

表1 坝面加糙工况水工模型噪声测值 单位：dB

糙面加糙模型试验结果表明：ⓐ水工模型单人字形槛糙面、交错式矩形糙条两种坝面加糙方式的减噪效果均不明显；ⓑ糙面加糙模型减噪效果随糙面加糙高度不同而异，隔板高度小于8cm时有减噪效果，超出后反而会加大噪声。

4.2 坝面加高方案

在工程原型中，水流漫过坡度平缓的坝顶段CD后，过坝水面线沿坝后衔接段DE急剧束窄，在EF段跃入式进入消力池。在此过程中，原型的水面线变动急剧，原坝面边界水流衔接不足、流线性不足。

针对此工况，调整坝面高度，并适当对坝面边界进行流线化改造，以期通过改变过坝水流流态，实现减噪目的。

坝面加高方案，主要针对坝面CDE段，同时考虑到模型制作尺寸，本模型模拟了168.5m、169.0m两种坝体加高设计方案，加高幅度0.5m、1.0m，坝段CDE坝面加高设计采用流线化加高，见图3。

图3 坝面加高模拟两种工况

结合上述不同坝顶加高优化方案，通过水工模型试验，得到不同模型流量下的噪声测值成果，见表2。

坝体加高水工模型试验结果表明：ⓐ相比坝面加糙方案，坝体高度对噪声影响更为敏感；ⓑ坝面高度越高，模型噪声越大，不利于降噪。

表2 坝面加高方案水工模型噪声测值 单位：dB

4.3 坝顶降高方案

坝体加高模型试验表明，坝体高度对当前水利工程噪声影响较大，而坝体加高后会产生更大的噪声。

坝高降低意味着挡水高度的降低，该挡水工程上游河床底部高程为166.5m，坝顶高程168.0m。水工模型模拟坝高采用167.5m、167.0m两种，其相应的坝体剖面见图4。

图4 坝顶降高模拟两种工况

结合上述不同坝顶降高优化方案，通过水工模型试验，得到不同模型流量下的噪声测值成果，见表3。

表3 坝高降低方案水工模型噪声测值 单位：dB

模型试验表明：坝高降低可以大大降低消能噪声，且降低高度越大，降噪效果越明显。

5 结 论

综合坝面加糙、坝面加高、坝顶降高3种水工模型试验成果，可以得出以下结论：

a.坝面加糙方案，不论采用单人字形槛糙面还是交错式矩形糙条加糙，对模型的减噪效果均有限，加糙高度加大，反而会增加噪声值。

b.坝体高度对模型的噪声影响较大，是最为敏感的影响因子。坝面加高会增加噪声，坝顶降高减噪效果明显。

c.结合模型试验成果，可通过降低坝体高度来达到降噪目的，值得注意的是，河段单坝体的降高会导致临近河段河势出现较大变化，若有条件可逐阶段降高以达到最终降噪的目的。

d.生态景观坝的降噪与水工泄流消能研究差异明显，虽然都涉及水工建筑物泄流消能优化问题，但各自的侧重点略有差异，需要区别对待。

e.生态景观坝的降噪研究，促成了水生态、人文、社会经济的进一步和谐，可为城市滨水景观规划设计及水工建筑物泄流消能提供重要的数据支持，具有较大的社会和经济效益。