WFH双级跌水体型设计

张 玲

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

WFH工程由分洪渠首、分洪渠道、渠系建筑物、交通建筑物及管理站组成，渠系建筑物由箱涵、跌水、消力池和防洪、排洪建筑物组成。

分洪渠首总体布置：从右岸至左岸分别布置3孔7.0 m净宽引洪闸，1孔5.0 m净宽冲沙闸、4孔7.5 m净宽泄洪闸、320 m长土石坝段［1］。

分洪工程渠道总长为34.884 km（其中桩号2+100～4+540 为箱涵式暗渠，明渠长度为32.444 km），渠道设计流量100 m3/s，起点渠底高程为1 257.20 m，末点渠底高程为1 092.181 m，高差165.019 m。

渠系建筑物有箱涵（11 座）、单级跌水（16 座）、双级跌水（4 座）、消力池（2 座）及排洪防洪建筑物，其中排洪防洪建筑物包括涵顶过洪建筑物（4 座），排洪渡槽（34座）、纳洪口（1座）、防洪堤。由于渠道纵坡比较大，所以渠道全线由多级跌水阶梯组成，每级跌水分为单级跌水和双级跌水两种情况。

2 模型试验主要研究内容与测试方法

按照双级跌水初步拟定的体型，设计流量为100 m3/s 时观测双级跌水进水口、消力池和出水口的流态（包括水位和流速分布）。根据试验数据计算出消力池的消能率，通过分析试验数据，对体型进行优化，验证双级跌水体型设计的合理性，给出建议体型，提出优化修改建议，为工程设计提供技术支撑。

模型进口流量用电磁流量计控制，上游河道水位采用水位测针测量（最小读数精度为0.10 mm）；流速采用LS-401旋浆流速仪测读；水深测量选用钢尺（最小读数精度为1.00 mm）；水流流态、流场观测采用数码相机和摄像机录制。试验设备和量测技术条件均满足《水工（常规）模型试验规程》（SL155-2012）［2］要求。

3 模型设计

根据试验要求及弗劳德重力相似和阻力相似准则设计模型［3］，模型比尺为Lp/Lm=λL=20.00，同理模型流速比尺、流量比尺、糙率比尺、时间比尺分别为4.47、1 789.00、1.65、4.47。严格按设计方提供的图纸制作正态单体模型，模型范围包括闸前河道、分洪闸、渠道、双级跌水和单级跌水、下游渠道，模型总长40.00 m。为了满足糙率相似要求，分洪闸和跌水均采用有机玻璃制作，分洪闸前河道和渠道底部弧形部分均采用水泥砂浆粉制，并进行粗化处理来模拟原型浆砌卵石的糙率，渠道两侧上边坡采用有机玻璃制作模拟衬砌混凝土板的糙率。

4 双级跌水初始设计

4.1 双级跌水初始设计基本参数

双级跌水设计尺寸：一级跌水深度P1为3.6 m，跌水宽10 m，池深S1为1.1 m，池长L1为30 m；二级跌水深度P2为3.6 m，池深S2为1.1 m，池长L2为30 m，跌水上下游渠道采用弧形底断面，两边坡是1∶1.75 的渠道，渠道坡度i为0.004。跌水与上下游渠道通过扭曲渐变段连接，扭曲渐变段长度为15 m，跌水上游渐变段是由复合型渠道型式渐变为10 m宽的矩形。双级跌水平面图见图1，剖面图见图2。

图1 双级跌水平面图

图2 双级跌水剖面图

4.2 设计流量试验成果

设计流量100 m3/s 时，该双级跌水体型在一级跌水消力池内为急流，不能形成水跃，一级池内流速在10 m/s 左右，二级池内形成淹没水跃，经过计算，双级跌水消能率约为51.8%。消力池利用水流跌水和产生的水跃消能，消力池消能效果的好坏可用消能率k的大小来判断［4］，其计算公式为：

式中：k为消能率，%；E0为以下游渐变段底板起算的上游总水头，E0=Z0+v02/2g，m；Et为消力池后剩余总水头，Et=Zt+v02/2g，m；Z0、Zt分别为上、下游断面水头，m；v0、vt为上、下游断面平均流速，m/s。Q=100 m3/s时双级跌水池内沿程水深和流速统计表见表1。

表1 Q=100 m3/s时双级跌水水深和流速统计表

位置 距离/m 水深/m 断面中垂线平均流速/（m/s）9.73一级消力池内8.82一级池尾坎顶7.01 3.19二级消力池内渐变扭曲段起点渐变段渐变扭曲段末端16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 30.0 34.0 38.0 41.0 42.0 45.2 46.5 48.0 50.0 52.0 54.8 58.0 62.0 66.0 70.0 74.0 75.0 78.0 82.0 86.0 90.0 4.74 3.50 2.00 1.00 0.80 0.90 0.90 1.06 1.20 1.00 1.12 1.46 1.20 3.80 3.70 3.20 3.60 4.20 4.40 4.60 4.66 4.66 3.40 3.50 3.40 3.30 3.16 2.64 3.63

水流由渠道经过扭曲渐变段进入跌水池内，在跌坎上游形成降水曲线，渠道内水深2.84 m，跌坎断面上水深减小至1.4 m，跌坎断面中心垂线平均流速为7.0 m/s。一级池内水深在1 m 左右，池内底部最大流速达到10.02 m/s。一级池尾坎断面水深为1.2 m左右，尾坎顶部断面中心垂线平均流速为7.01 m/s。二级池内水深为3.2～4.7 m，池内流速明显小于一级池。双级跌水水面线与垂线流速分布图见图3。

图3 Q=100 m3/s时双级跌水水面线与流速分布图

4.3 小流量试验成果

小流量（40 m3/s）时，该双级跌水体型在一级跌水消力池和二级消力池内都可以形成完整水跃，一级池内水深为0.8～2.5 m，二级池内水深为3.0～3.62 m。Q=40 m3/s 时双级跌水池内沿程水深统计表见表2，双级跌水水面线分布图见图4。

表2 Q=40 m3/s时双级跌水池内沿程水深统计表 m

位置 距离 水深一级池尾坎顶二级消力池内渐变扭曲段起点渐变段渐变扭曲段末端24.0 28.0 34.0 38.0 45.2 46.5 47.0 48.0 49.0 54.0 60.0 66.0 74.0 75.0 82.0 86.0 90.0 1.70 2.32 2.40 2.46 2.50 1.16 4.56 3.70 3.00 3.10 3.46 3.62 3.50 2.34 2.34 2.26 2.20

图4 Q=40 m3/s时双级跌水水面线分布图

4.4 双级跌水初始设计结论

试验结果表明：双级跌水初始设计体型，水流由渠道经过扭曲渐变段进入跌水池内，在跌坎上游形成降水曲线，在小流量（40 m3/s）时池内可以形成完整水跃，在设计流量100 m3/s 时一级池内不能形成水跃，不满足形成水跃条件。试验认为，该双级跌水设计难以满足消能要求，建议改变设计体型。

5 双级跌水修改方案

5.1 双级跌水修改方案基本参数

修改后双级跌水尺寸为：一级跌水深度P1为3.6 m，跌坎入水宽度为7 m，一级池宽仍然为10 m，池深S1为1.24 m，池长L1为30 m，一级池尾坎顶部宽度为4.2 m；二级跌水深度P2为3.74 m，池深S2为1.1 m，池长L2为30 m，修改后双级跌水平面图见图5，剖面图见图6。

图5 修改后双级跌水平面图

图6 修改后双级跌水剖面图

5.2 设计流量试验成果

设计流量100 m3/s时，修改后双级跌水体型跌坎断面水深为2.2 m，跌水入池后向两侧扩散，池内两侧水流向池中间翻滚，一级池内可以形成水跃，池内水深为2.1～4.1 m；二级池内为淹没水跃，池内水深为3.4～4.7 m，经过计算分析两级跌水消能率约为53.3%。修改后双级跌水池内沿程水深和流速统计表见表3［5］，修改后双级跌水水面线与垂线流速分布图见图7。

表3 Q=100 m3/s时修改后双级跌水池内沿程水深和流速统计表

位置 距离/m 水深/m 断面中垂线平均流速/（m/s）渐变扭曲段起点2.64渐变段渐变扭曲段末端75.0 80.0 82.0 86.0 90.0 3.40 3.30 3.40 3.30 3.30 3.30

图7 Q=100 m3/s双级跌水修改方案水面线及流速分布图

6 结论

多级跌水消能的跌落水舌长度由公式计算的长度与试验实测的长度有偏差［7］，导致各级消力池的水跃淹没度均偏大，使消能作用减弱，在试验中对各级消力池尾坎进行优化，从而改善了各级消能工的消能效果。

WFH工程双级跌水体型优化后，一级跌坎入水宽度为7 m，跌水深度为3.6 m，池深为1.24 m，池长为30 m，一级池尾坎顶部宽度为4.2 m；二级跌水深度为3.74 m，池深为1.1 m，池长为30 m。在设计流量100 m3/s下，双级跌水池内均能形成水跃，两级跌水消能率约为53.3%。