金沟河红山水库溢洪道下游消能工优化试验研究

刘双喜 武彩萍 李百良 杨祎祎

：水利枢纽泄洪建筑物下游的高速水流冲击下游河床致使下游河床严重冲刷及岸坡淘刷，处理不当可能危及大坝安全。针对金沟河红山水库溢洪道下游的消能问题，通过水工模型试验对溢洪道进行不同工况下的消能效果分析，提出了采用“台阶＋消力池＋消力坎辅助消能工”的综合消能方案，较好地解决了红山水库溢洪道泄洪消能问题，为水库工程溢洪道下游消能防冲设计提供参考。

关键词：模型试验；溢洪道；消力池；台阶消能；消力坎；红山水库

中图分类号：ＴＶ６５３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２５

引用格式：刘双喜，武彩萍，李百良，等．金沟河红山水库溢洪道下游消能工优化试验研究［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（１０）：１３６－１３９，１４５．

溢洪道是水利水电工程中常用的泄水建筑物，一般具有水头高、流速大的特点，如果不采取工程措施消除余能，那么水流将冲刷下游河床，会造成恶劣的流态，影响枢纽中其他建筑物的正常运行，甚至会危及大坝的安全［１］ 。通过工程消能措施消除下泄水流的余能，可以有效地解决泄水建筑物下游河道的冲刷问题，保护溢洪道及大坝等建筑物的安全。目前，常规的消能方式有底流消能、挑流消能、面流消能、台阶消能等。水利工程的水文地质、地形地貌条件复杂，在水利工程设计过程中，如何合理地选择溢洪道等建筑物的消能方式，是关系到整个水利工程安全与经济的重要问题。每个工程应根据各自的特点选择适宜的消能方式，如：黄河小浪底水利枢纽工程采用的是集中泄流的消能方式，即所有的泄水建筑物（３ 条明流洞、３ 条排沙洞、３条孔板洞共９ 条洞及１ 座溢洪道）都宣泄在同一个水垫塘内，泄水建筑物下游消能除孔板洞外，其余皆采用挑流消能［２－３］ ；段家坝水库根据工程特点，溢洪道消能采用了跌坎型的底流消能方式，消除下泄水流的余能，保障了工程安全［４］ ；云南省真金万水库溢洪道采用阶梯＋扭曲挑坎的联合消能方案，很好地解决了溢洪道的消能防冲问题［５］ 。

本文根据新疆红山水库工程特点，基于物理模型试验对红山水库溢洪道出口底流消能、溢洪道台阶消能以及增设辅助消能工的水力特性进行了对比分析，提出了采用“台阶＋底流消能＋消力坎辅助消能工”的综合消能方案，以较好地解决红山水库溢洪道泄洪消能问题，其对同类水利水电工程设计具有一定的参考意义。

１ 工程概况

红山水库工程位于新疆维吾尔自治区沙湾县境内的金沟河出山口处，是一座灌溉、防洪、工业供水兼顾发电等综合利用的水利工程，是金沟河上的控制性工程，起着龙头水库的作用。水库为Ⅲ等中型工程，总库容为５ ３４４ 万ｍ３，水库枢纽工程由挡水坝、溢洪道、导流兼泄洪冲沙洞、发电引水系统及电站厂房等组成。

该工程挡水和泄水建筑物按１００ ａ 一遇洪水设计（Ｑ ＝７０５．１ ｍ３ ／ ｓ）， ２ ０００ ａ 一遇洪水校核（Ｑ ＝ １ ０５０．１ｍ３ ／ ｓ），泄水建筑物下游消能及防护工程按３０ ａ 一遇洪水设计（Ｑ＝２１１．０ ｍ３ ／ ｓ）。

溢洪道布置在左岸坝肩上，采用开敞式，由进口引渠段、控制段、泄槽段、出口消能段组成。溢洪道设计泄量４４３．７３ ｍ３ ／ ｓ，校核泄量７７３．１１ ｍ３ ／ ｓ。进口控制闸室段进口底板高程８７２．００ ｍ，控制段堰型采用ＷＥＳ堰，堰顶高程８７９．００ ｍ，采用弧形工作门，孔口尺寸为１１ ｍ×８ ｍ（长×宽）。泄槽由陡坡Ⅰ段、抛物线段和陡坡Ⅱ段组成，泄槽宽１１ ｍ，陡坡Ⅰ段纵坡ｉ ＝ １ ∶ ９，陡坡Ⅱ段纵坡ｉ ＝１ ∶ ２．５。出口采用底流消能，消力池长５６ ｍ，底板高程８１９．８２ ｍ，池深４．５ ｍ、宽２０ ｍ。消力池后接长４５ ｍ 护坦段，护坦段底宽由２０ ｍ 扩至４９ ｍ，护坦段后设置了长２０ ｍ 钢筋石笼柔性海漫与河道平顺连接（溢洪道布置见圖１）。

２ 模型设计

依据《水工（常规） 模型试验规程》（ＳＬ １５５—２０１２）（简称《规程》），模型按重力相似准则设计［６－７］ ，根据试验要求、原型水流特性，结合试验场地等条件，确定模型几何比尺λＬ ＝５０，各物理量的比尺与几何比尺的关系见表１。

３ 原设计方案消能工存在的问题

底流消能是一种传统的消能方式，通过修建消力池等控制水跃位置，利用水跃引发的表面旋滚和强紊动来消除水流的能量，以减少或防止水跃范围内发生冲刷。它具有流态稳定、消能效果好、对地质条件和尾水水位变化适应性较强的优势，且底流消能引起的泄洪雾化很小，对周边环境影响小［８］ ，因此越来越多的水利工程采用底流消能方式来消除水流能量。红山水库溢洪道设计采用底流消能，消力池池长５６ ｍ、深４．５ｍ、宽２０ ｍ。试验结果表明，该消力池的设计体形在３０ ａ 一遇洪水时池内可以形成完整淹没水跃，但在设计洪水和校核洪水时池内均形成了远驱水跃，水跃跃头分别位于消力池池长１／３ 和１／２ 位置，消力池长度不能充分利用，底流消能不充分。

４ 优化方案试验结果

针对原设计方案下游消能中存在的问题，对溢洪道消能方案进行优化，消除水流余能，降低进入下游河道的流速、减轻溢洪道泄水对下游河道冲刷，保障工程安全。

４．１ 消力池修改方案

原设计底流消能中溢洪道下泄设计洪水和校核洪水时出现远驱水跃，表明消力池末端水深小于水跃的共轭水深，要想提高消力池下游水深，一般需要通过增设尾坎或者降低池底高程的方法来解决。根据红山水库工程条件，若在消力池末端增设尾坎，水流出消力池后将在下游护坦上产生跌水并冲击下游护坦，则需要通过降低池底高程来提高消力池下游水深，使各级特征工况下溢洪道下泄水流均能在消力池内形成完整淹没水跃。通过水力计算和多次模型试验，将消力池池底高程降低３．０ ｍ，即消力池池深由４．５ ｍ 增加至７．５ ｍ，各级工况下消力池内均能形成完整淹没水跃，同时将泄槽陡坡Ⅰ段下游连接的抛物线坡面和泄槽陡坡Ⅱ段斜坡比降进行了调整，调整后溢洪道出口段剖面布置如图２ 所示。

消力池底板高程降低３．０ ｍ 后，各级洪水工况下消力池内均能形成完整的淹没水跃，消能效果得到了改善。试验结果表明，各级洪水下由于下游河道水位低，水流出消力池后为跌水，且护坦过流断面沿程逐渐增大，水深沿程逐渐变小，因此护坦及海漫段水流流速较大。校核洪水下消力池末端断面平均流速约８．１９ｍ／ ｓ，护坦上最大流速为１２．１４ ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速为为１０．６８ ｍ／ ｓ。设计洪水下消力池末端断面平均流速约为５．８３ ｍ／ ｓ，护坦上最大流速为９．０５ ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速为６．２５ ｍ／ ｓ。３０ ａ 一遇洪水下消力池末端断面平均流速约为４．９５ ｍ／ ｓ，护坦上最大流速为６．８２ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速为５．４２ ｍ／ ｓ。

４．２ 增设台阶消能方案

台阶式溢洪道是水利工程中常见的泄洪消能方式之一，通过在陡槽段增设台阶，使得溢流槽面的“表面糙率”增大而耗散能量。其消能机制是水流流过溢洪道臺阶时，产生落差跌流并在台阶跌坎内部产生低压旋涡，致使泄流的紊动急剧加大。红山水库溢洪道消力池体形通过修改优化后，下游流态及消能效果得到了改善，但仅采用单一底流消能方式无法满足下游消能防冲需求。为了提高消能率，将溢洪道陡坡Ⅱ段由光滑式改为台阶式，在该段布设了２３ 个台阶，每个台阶尺寸为水平长２．０ ｍ、高０．８８９ ｍ，下游消力池及护坦尺寸不变，即采用台阶与消力池联合消能方式，见图３。

试验量测了溢洪道采用“台阶＋消力池”联合消能方式在三级特征洪水工况下消力池末端断面水力参数，并利用式（１）计算了溢洪道消能率，结果见表２。从表２ 可以看出，增设台阶后，溢洪道消能率由４９．９％～５７．４％提高至８５．０％～９３．７％，推荐设计采用。４．３ 增加辅助消能工方案红山水库溢洪道通过在泄槽陡坡段增设台阶，同时对消力池体形进行修改优化后，溢洪道下游消能效果虽然得到了提高，但是各级洪水时下游河道水位较低，护坦及海漫段水深浅、流速大，进入下游河道的水流流速远大于下游河床抗冲流速（２．２～２．５ ｍ／ ｓ），下游河道冲刷严重。为了减轻溢洪道泄水对下游河道冲刷，保障工程安全，采取在护坦上增设多段多排消力坎式的辅助消能工来改善消能效果。按照溢洪道设计规范要求，当流速小于１６ ｍ／ ｓ 时，允许加设各种形式的辅助消能工，以提高消能率。根据试验量测结果，溢洪道采用“台阶＋消力池”联合消能方式，校核洪水的护坦段最大流速小于１０ ｍ／ ｓ，因此在护坦段增设辅助消能工满足规范要求。

经过多组辅助消能工试验比较，确定在护坦上增设３ 排６ 段连续消力坎，每段长度均为１０ ｍ，３ 排消力坎交错排列，消力坎平面布置如图４ 所示。根据护坦水深设置坎高１．０ ｍ，且３ 排消力坎坎高一致，消力坎断面均为梯形，顶宽０．５ ｍ、底部宽为１．０ ｍ。由于护坦上水深沿程逐渐变浅，为了进一步提高消能率，将第一排和第二排消力坎坎高增高，第一排由１．０ ｍ 抬高至１．５ ｍ，第二排坎高由１．０ ｍ 抬高至１．３ ｍ，为了与下游水流平顺连接，将第三排坎高由１．０ ｍ 降低至０．８ ｍ。消力坎不等高方案剖面如图５ 所示。

试验量测结果表明，护坦上增设３ 排６ 段连续消力坎，起到了分散水流、加剧水流紊动掺混从而提高消能率的作用，每道消力坎还有迎拒水流，对水流的冲击产生反作用力，同时消力坎还能将护坦上流速较大的底部水流挑起，改变下游的流速分布，使底部流速减小，从而减轻水流对海漫和河床的冲刷。表３ 为不同方案下海漫末端断面中底部流速，从表３ 可以看出，在护坦上增设３ 排６ 段连续消力坎辅助消能工，与护坦上未布设消力坎相比，下游海漫末端流速明显减小，不等高消力坎方案中由于前两排消力坎高度增加，消力坎阻水作用以及水流紊动作用相应增强，因此消能率提高，推荐采用。

５ 结束语

溢洪道下游消能工体形设计的合理性对溢洪道下游的安全性、经济性以及工程设计的成败起着重要作用。本文通过水工模型试验对新疆红山水库溢洪道消能工体形进行了试验验证，针对原设计方案溢洪道下游消能存在的问题，对溢洪道下游消能工进行了多种体形修改优化。研究认为，在泄槽陡坡段增设台阶，可以使溢洪道消能率提高３５％左右，护坦上增设消力坎可以有效降低海漫段的流速。研究提出的“台阶＋消力池＋消力坎辅助消能工”综合消能方案，消能效果十分显著，较好地解决了红山水库溢洪道泄洪消能问题，该成果可供类似工程设计参考和借鉴。

参考文献：

［１］ 林继镛．水工建筑物［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００８：３５２－３５３．

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［６］ 南京水利科学研究院．水工（常规） 模型试验规程：ＳＬ１５５—２０１２［Ｓ］．北京：中华人民共和国水利部，２０１２：５－６．

［７］ 陈椿庭．水工模型试验［Ｍ］．２ 版．北京：水利电力出版社，１９８５：２５－３０．

［８］ 孙双科．我国高坝泄洪消能研究的最新进展［Ｊ］．中国水利水电科学研究院学报，２００９，７（２）：２４９－２５５．

【责任编辑 简 群】