高落差泄水閘陡管折沖式消能工研究

姜福基

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州730000）

高落差泄水閘陡管折沖式消能工研究

姜?；?/p>

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州730000）

甘肅省東鄉(xiāng)南陽(yáng)渠總干5#泄水閘泄水落差大、坡度陡而且運(yùn)行過(guò)程中流量變化異常頻繁，因此消能防沖方式的確定至關(guān)重要。在充分分析地形地質(zhì)條件和水工模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上從泄水落差、流量變化、流速、運(yùn)行要求和消能等多個(gè)方面研究了該工程的消能方式及其結(jié)構(gòu)布置形式。經(jīng)研究該工程泄水渠擬采用無(wú)壓輸水陡管兩級(jí)消能方案，其中首級(jí)消能采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的折沖式消能工形式（落差為80.97m），二級(jí)采用底流式消力池形式（落差為20.53m）。經(jīng)理論計(jì)算和實(shí)際工程應(yīng)用表明該消能方式效能率高、流態(tài)穩(wěn)定，是一種值得推廣的消能方式。

高落差；消能工；水力計(jì)算；模型試驗(yàn)

1 引 言

甘肅省東鄉(xiāng)南陽(yáng)渠灌溉工程位于臨夏回族自治州境內(nèi)，是解決東鄉(xiāng)、和政及臨夏三縣部分地區(qū)灌溉、人畜飲水、生態(tài)用水的跨流域中型調(diào)水工程。其中總干渠5#泄水閘泄水渠總長(zhǎng)404.19m，泄水落差為101.5m，設(shè)兩級(jí)消能，第一級(jí)落差為80.97m，比降分兩段，上段1/4.03，下段1/2.19；第二級(jí)落差為20.53m，比降1/4.47。此外，該泄水閘又為南陽(yáng)渠最大灌區(qū)那勒寺支渠分水閘，灌溉輸水時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行過(guò)程中流量變化頻繁，設(shè)計(jì)采用鋼管陡管泄水，管徑Φ 1000，泄水流量為3.5m3/s，灌溉設(shè)計(jì)流量為0.6m3/s，灌溉高峰期流量約為2.0～1.5m3/s。因此該工程消能工設(shè)計(jì)至關(guān)重要。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展許多關(guān)于消能方面的研究工作［1，2］，如蘇武艷［3］、陳朝［4］和熊建寧［5］等通過(guò)試驗(yàn)的方法研究了各種消能工的消能效果；史志鵬［6］和董建偉［7］等則通過(guò)數(shù)值模擬的方法分別對(duì)低水頭輔助消能工和洞塞式消能工進(jìn)行了研究；王?。?］和姜華［9］等分別對(duì)格柵式和臺(tái)階上消能工進(jìn)行了分析；阮祥明等［10-12］則結(jié)合具體工程研究了各種消能工的消能效果；明福林［13］和潘輝［14］等對(duì)中小型水工建筑物的消能問(wèn)題進(jìn)行了探討。

上述研究成果雖然在解決具體工程問(wèn)題方面體現(xiàn)出了各自的優(yōu)勢(shì)，但均無(wú)法滿足本工程高落差［15-16］且流量頻繁變化的消能任務(wù)，本文擬根據(jù)地形地質(zhì)條件和水工模型試驗(yàn)結(jié)果從泄水落差、流量變化、流速、運(yùn)行要求和消能等多個(gè)方面研究該工程的消能方式及其結(jié)構(gòu)布置形式。基于理論分析計(jì)算和相關(guān)模型試驗(yàn)，擬提出折沖式消能工形式（一級(jí)消能），第二級(jí)采用底流式消力池形式。以期解決本工程高落差且流量頻繁變化的消能難題。

2 折沖式消能工設(shè)計(jì)

2.1 折沖式消能工布置

5#泄水閘泄水渠消能工設(shè)計(jì)，因第一級(jí)落差較大，流速較高，且存在支渠小流量分水問(wèn)題，流量由3.5m3/s變化為0.6m3/s，運(yùn)行過(guò)程中流量變化頻繁，如泄水管道采用有壓輸水時(shí)，管內(nèi)存在有壓無(wú)壓交替狀態(tài)，而常規(guī)底流式消能工，因管出口流速較難控制，致使在不同流量工況下消能不允分。為使管道在各流量工況下不產(chǎn)生有壓無(wú)壓交替情況，泄水管道采用無(wú)壓輸水陡管，一級(jí)陡管出口消能工采用折沖式消能工形式。所謂折沖式消能工，既是將消能箱分為三段三個(gè)區(qū)域，第一段在距管出口1.4m處的管軸線上設(shè)折角120°的鑄鋼折沖板，板厚200m m，分向兩側(cè)的板寬515m m，板兩端固定在箱體兩側(cè)墻上，此段為強(qiáng)烈摻氣區(qū)；第二段為在距折沖板0.8m處的箱底板上設(shè)高度1.4m的向上折流板，然后在距第一道折流板1.2m處的箱體項(xiàng)板上設(shè)高度為1.4m的向下的折流板，此段為能量耗散區(qū)；第三段在距離上折流板1.2m處設(shè)1.4m高的尾坎，此段為水流流態(tài)調(diào)整區(qū)。折沖板考慮消能效果采取前折流板的上端和后折流板的下端及尾坎頂部均在一個(gè)平面上的設(shè)計(jì)形式（詳見(jiàn)圖1），但根據(jù)模型試驗(yàn)也可采用不在一個(gè)平面上的設(shè)計(jì)形式。

折沖式消能工流態(tài)調(diào)整區(qū)后的流態(tài)根據(jù)水工模型試驗(yàn)，箱出口流態(tài)較平穩(wěn)，對(duì)下游建筑物不產(chǎn)生沖刷，一般情況下設(shè)長(zhǎng)10m左右的水流擴(kuò)散段與渠道或河道交匯即可。本泄水閘泄水陡管因?yàn)椴捎枚?jí)，為保證第二級(jí)陡管的進(jìn)流平順，在流態(tài)調(diào)整區(qū)后設(shè)長(zhǎng)7.149m，寬3.0m，深2.0m，比降1/500的矩形擴(kuò)散段和長(zhǎng)2.851m的漸變段與二級(jí)陡管銜接。

2.2 折沖式消能工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄水閘泄水陡管一級(jí)折沖式消能工采用現(xiàn)澆C 25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，箱體結(jié)構(gòu)尺寸為：箱體凈長(zhǎng)6.1m，凈寬3.0m，凈深2.6m，側(cè)墻板厚50c m，底板厚80c m，頂板厚50c m，上、下折流板厚50c m，管道入箱口設(shè)與箱體為一體的鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩長(zhǎng)4m，寬4m。

2.3 折沖式消能工消能水力計(jì)算

2.3.1 陡管水力計(jì)算

泄水閘泄水陡管設(shè)計(jì)分為兩級(jí)，第一級(jí)陡管管長(zhǎng)273.33m，落差為80.97m，比降：前段長(zhǎng)187.41為1/4.03，后段長(zhǎng)86.08m為1/2.19；第二級(jí)陡管長(zhǎng)94.06m，落差為20.532m，比降1/ 4.472，兩級(jí)陡管均采用管徑Φ1000m m鋼管。一級(jí)陡管出口消能采用折沖式消能工，二級(jí)陡管出口采用底流式消力池。該水力計(jì)算主要計(jì)算第一級(jí)陡管流速和管內(nèi)凈空面積比，計(jì)算公式采用曼寧公式。

式中：

V—折沖式消能工前陡管流速（m/s）

i—陡管比降；

C—謝才系數(shù)（m/s1/6），

n—鋼管內(nèi)壁糙率，n=0.012；

A—過(guò)水面積（m2），

d—管道內(nèi)徑（m）；

h—管內(nèi)水深（m）；

r—管道半徑（m）。

圖1 消力箱結(jié)構(gòu)布置圖

一級(jí)陡管各流量工況下流速計(jì)算見(jiàn)表1。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，管道通過(guò)最大泄水流量3.5m3/s時(shí)，凈空面積比為74.43%，大于規(guī)范要求的無(wú)壓流15%，表明管道完全為無(wú)壓出流。

2.3.2 折沖式消能工水力計(jì)算

折沖式消能工是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的一種新型消能形式，該種消能工由于管出口出流受折沖板對(duì)流速的反向折流，同時(shí)箱中分為強(qiáng)烈摻氣區(qū)、能量耗散區(qū)、流態(tài)調(diào)整區(qū)，箱內(nèi)流態(tài)均為紊流狀態(tài)，水力學(xué)計(jì)算目前尚未成功的計(jì)算公式，只能通過(guò)水工模型試驗(yàn)確定管出口至折沖板、折沖板至折流板及上、下折流板之間的距離和水流流態(tài)調(diào)整區(qū)的長(zhǎng)度，以及消能箱的凈寬和箱體出口擴(kuò)散段的長(zhǎng)度等。

2.3.3 消能箱出口水流擴(kuò)散段水力計(jì)算

消能箱出口水流擴(kuò)散段經(jīng)折沖消能后，其流態(tài)已很穩(wěn)定，但如果與該泄水閘設(shè)計(jì)相同，需要設(shè)兩級(jí)消能時(shí)，還需計(jì)算出相應(yīng)的正常水深及臨界水深，以判斷擴(kuò)散段是緩流還是急流。擴(kuò)散段水深由水工模型試驗(yàn)確定。水工模型試驗(yàn)得到本工程擴(kuò)散段最大流量為3.5m3/s時(shí)，h=0.658m。

（1）擴(kuò)散段臨界水深計(jì)算

中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)秘書(shū)學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)公文培訓(xùn)師王燕則結(jié)合公文寫(xiě)作新規(guī)定，通過(guò)結(jié)合大量公文寫(xiě)作方面的實(shí)例，對(duì)函、通知、總結(jié)等常用公文文種的用途、分類(lèi)、結(jié)構(gòu)、行文方向、寫(xiě)作要點(diǎn)等理論知識(shí)和實(shí)際操作作了精彩講解。

式中：

α—修正系數(shù)，α=1.0～1.04，取1.0；

B—擴(kuò)散段寬度（m），B=3.0m。

計(jì)算得最大泄水流量Q=3.5m3/s時(shí)，臨界水深hk=0.175×B=0.525m，小于水工模型試驗(yàn)得到的擴(kuò)散段最大流量為3.5m3/s時(shí)的水深h= 0.658m，即hk＜h，說(shuō)明擴(kuò)散段為緩流。

（2）擴(kuò)散段水深復(fù)核

雖然由前計(jì)算判斷的擴(kuò)散段水流為緩流，但不能判斷是均勻還是堰流，其判斷是否為均勻流的條件是：

當(dāng)擴(kuò)散段長(zhǎng)度L＞10倍的擴(kuò)散段水深時(shí)為明渠均勻流；

當(dāng)擴(kuò)散段長(zhǎng)度L＜10倍的擴(kuò)散段水深時(shí)為寬頂堰流；

水工模型試驗(yàn)得到本工程擴(kuò)散段最大流量為3.5m3/s時(shí)的水深h為0.658m，擴(kuò)散段長(zhǎng)度L= 7.194m＞10h，屬明渠均勻流。各流量工況水力計(jì)算按滿寧公式計(jì)算：

式中：

Q—擴(kuò)散段過(guò)流量（m3/s）；

A—擴(kuò)散段過(guò)流面積（m2），A=B h；

i—擴(kuò)散段比降；

C—謝才系數(shù)（m1/6），

n—糙率，取n=0.015；

R—水力半徑（m）；

X—濕周（m），X=B+2h；

B—擴(kuò)散段寬度（m）；

h—擴(kuò)散段水深（m）。

各流量工況下擴(kuò)散段水深計(jì)算見(jiàn)表2。

表1 第一級(jí)陡管各流量工況流速計(jì)算表

表2 各流量工況下擴(kuò)散段水深計(jì)算表

由表2可以看出，消能箱出口擴(kuò)散段通過(guò)最大流量時(shí)，正常水深與模型試驗(yàn)水深一致，由此說(shuō)明擴(kuò)散段水流是明渠均勻流。該工程泄水閘二級(jí)陡管仍可采用無(wú)壓泄流。

3 折沖式消能工的消能原理

折沖式消能工的消能原理是管道出口水流經(jīng)折沖板折流發(fā)散，產(chǎn)生大量空氣，挾帶空氣的水流與周?chē)w產(chǎn)生強(qiáng)烈摻混區(qū)，并帶動(dòng)水流在折沖板上下與箱體之間形成豎向回流。在強(qiáng)烈摻混區(qū)水流的消能是以水流與折沖板和箱體邊壁的摩擦及水流質(zhì)點(diǎn)之間的摻混剪切的方式進(jìn)行的。根據(jù)水工模型試驗(yàn)，消能耗散區(qū)的水流大致可分為上、下兩層。上層水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，氣泡快速向上逸出，水流狀態(tài)有面流消能的某些特征。下層水流的運(yùn)動(dòng)特征則主要是折沖和碰撞，在水流翻過(guò)前后折流板時(shí)，折流板之間增加了水體和固體邊界的摩擦。總之，在消能耗散區(qū)，水流主要以摻混、紊動(dòng)、破碎的方式消能，表現(xiàn)的形式是水與水的質(zhì)點(diǎn)之間，水與氣泡之間，水、氣泡與固體邊界之間通過(guò)摩擦進(jìn)行質(zhì)量、能量和動(dòng)量的交換，從而達(dá)到能量的消散。當(dāng)水流流出耗散區(qū)時(shí)，大部分能量已消耗殆盡。水流流態(tài)調(diào)整區(qū)有兩個(gè)功能，第一個(gè)功能是通過(guò)出口段的調(diào)整，使出口段的水流平穩(wěn)、平順，減少波動(dòng)；第二個(gè)功能是使水流從耗散區(qū)帶出的氣泡能在出口逸出。這兩點(diǎn)對(duì)折沖式消能工設(shè)計(jì)都很重要。

折沖式消能工的水流能量消耗主要在摻混區(qū)和能量耗散區(qū)，其摻混區(qū)和耗散區(qū)的長(zhǎng)度、寬度由泄流量、流速大小而定，根據(jù)水工模型試驗(yàn)結(jié)果，一般情況下流速為主要控制因素，但流速可由輸水管直徑來(lái)控制。

折沖式消能工的消能率是反映消能效果的一個(gè)指標(biāo)，為定性評(píng)價(jià)該種消能工的消能效果，本次水工模型試驗(yàn)分別進(jìn)行了7種流量工況下的消能率試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 折沖式消能工在各流量工況下的消能率

從表3看出，折沖式消能工的消能率在70%～90之間，較一般底流式消力池的消能率（45%～70%）要高出20%以上，且流速越大，消能率越高。如甘肅慶陽(yáng)市火巷溝排洪工程采用此種形式的消能工，經(jīng)水利部西北水科所水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，排洪流量達(dá)到20m3/s時(shí)，消能率為89.6%，可見(jiàn)該種消能工是值得推擴(kuò)的一種新型消能工。

本工程水工模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 折沖式消能工水工模型試驗(yàn)

4 折沖式消能工的特點(diǎn)

根據(jù)該工程地形地質(zhì)條件、水工模型試驗(yàn)及運(yùn)行效果分析總結(jié)出折沖式消能工具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠適應(yīng)高落差、高流速的管道泄水；

（2）消能箱小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程量小，投資?。?/p>

（3）消能非常充分，消能率較高，尾坎后擴(kuò)散段水流穩(wěn)定，流速相當(dāng)緩漫，對(duì)下游渠道或河道（溝道）無(wú)沖刷；

（4）對(duì)地形條件無(wú)限制，適合于任何地形布置；

（5）能適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，地基處理簡(jiǎn)便；

（6）適應(yīng)多級(jí)消能；

（7）可在20m3/s以下流量的輸水陡坡，泄水消能建筑物使用。

唯一不足之處是箱內(nèi)污物清除困難，陡管進(jìn)口需設(shè)置攔污設(shè)施，并盡可能應(yīng)用于清水渠系之中，特別是該種消能工不適應(yīng)有壓管道的消能。

5 結(jié)論

（1）總干渠5#泄水閘采用無(wú)壓輸水陡管，兩級(jí)消能方式消能，其中首級(jí)消能采用折沖式消能工形式，二級(jí)采用底流式消力池形式，消能效果滿足工程運(yùn)行要求；

（2）首級(jí)折沖式消能工消能箱分為三段三個(gè)區(qū)域，分別為：鑄鋼折沖板段強(qiáng)烈摻氣區(qū)、上下折流板段能量耗散區(qū)和上折流板至尾坎段流態(tài)調(diào)整區(qū)；

（3）經(jīng)水工模型試驗(yàn)證明該消能方式特別適用于流速較大的工程，其消能率約為70%～90%，較一般底流式消力池高出20%以上。

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表5 價(jià)值指數(shù)計(jì)算表

6 結(jié)論

從表5的計(jì)算結(jié)果可以看出，站址二的價(jià)值指數(shù)高于站址一。

站址一和站址二均能滿足工程總體布置要求和工程設(shè)計(jì)功能要求。站址一泵站上游引河交匯于瓜洲閘閘下約550m處，閘、站合用一個(gè)入江口門(mén)，交匯點(diǎn)距入江口約500m，由于瓜洲閘已運(yùn)行多年，入江口河勢(shì)已基本穩(wěn)定，河口沖、淤也已基本平衡，河口淤積問(wèn)題相對(duì)較小，但其上、下游引河較短，水流條件不如站址二，并且由于拆遷安置工作量較大，有可能增加拆遷安置工作的難度，甚至影響到工程順利實(shí)施。

綜合考慮各方面因素，瓜洲站工程站址推薦采用站址二。

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T V 32

A

1672-2469（2015）05-0056-05

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.018

姜?；?956年—），男，高級(jí)工程師。