疏勒河灌區(qū)昌馬總干渠陡坡消能工原型觀測分析

楊占榮，雒天峰

(1.甘肅省疏勒河流域水資源局，甘肅 玉門 735211；2.甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

昌馬灌區(qū)總灌溉面積4.65萬hm2，是疏勒河流域三大灌區(qū)之一。灌區(qū)地勢南高北低，海拔高程南部2000m，北部1298m，相對高差100～700m，昌馬洪積扇戈壁礫石平原坡降為10‰～15‰，細土平原坡降3‰～5‰。昌馬總干渠是昌馬灌區(qū)的主要輸水渠道，總干渠渠首位于昌馬峽出山口以下6km處，全長39.98km，設(shè)計流量30～65m3/s，渠道坡降為8‰左右。由于渠道比降較大，使得流速加大，且入渠泥沙含量增多、粒徑增大。受水流、泥沙的沖刷、磨損，自1958年始建至今，已經(jīng)過多次改建。2011年實施的改建工程，沿途建設(shè)陡坡51座，以減小高速水流、大粒徑砂礫石的撞擊、磨損對建筑物的破壞。但利用陡坡消能時，陡坡段連接上下游急流渠道時，陡坡段及下游渠道一定范圍內(nèi)的流速將超出渠道允許流速，此時需解決上游平順泄流和下游充分消能?，F(xiàn)今，主要通過底流消能和陡坡加糙，把大部分水流能量集中于下游消力池，高速水流在消力池中形成水躍，利用水躍翻滾區(qū)水流的激烈紊動進行消能。同時，在陡坡段和消力池內(nèi)增加糙條、消力墩、趾墩、T型尾墩、尾坎等一些輔助消能工來提高消能效率[1- 2]。但是，由于陡坡段和消力池內(nèi)所修建的消能設(shè)施在水流過程中會引起水流的旋滾，有時還會造成推移質(zhì)泥沙磨損消能設(shè)施，不僅消能效果不明顯，而且會危及消能設(shè)施的安全。為進一步分析大比降輸水渠道陡坡消能效果，在昌馬渠道已改建、具有代表性的47#陡坡上對水流流速、流態(tài)、水躍、水深等進行了原型觀測，分析消能、抗損效果，以便為大比降、高含沙、大粒徑輸水渠道的后期維護提供資料支撐。

1 陡坡設(shè)計情況

2011年昌馬總干渠改建過程中，對部分陡坡進行了拆除重建，設(shè)計方案為：陡槽段在原來的基礎(chǔ)上進行改建，縱坡為1∶5.3，并以5°～7°的單側(cè)擴散角向外擴散。陡槽底板厚為0.5m，下層為0.3m厚的現(xiàn)澆C20混凝土找平層，表層為0.2m厚的現(xiàn)澆C40硅粉混凝土。陡槽內(nèi)邊坡坡度1∶1，邊坡厚0.20～0.30m，側(cè)墻(邊坡)0.3m以下的部位現(xiàn)澆一層0.2m厚的C40硅粉混凝土，上部均為現(xiàn)澆C20混凝土。渠道與陡槽進口之間設(shè)15m漸變收縮整流段，漸變段底板厚0.4m，下層為現(xiàn)澆C15混凝土，表層為0.2m厚的硅粉混凝土，側(cè)墻(邊坡)0.3m以下的部位現(xiàn)澆一層0.2m厚的C40硅粉混凝土，上部為現(xiàn)澆C15混凝土。陡坡下游設(shè)消能塘，消能塘底板厚度為0.6m，底板表層為0.2m厚的現(xiàn)澆C40硅粉鋼筋混凝土，下部為現(xiàn)澆C20鋼筋混凝土。側(cè)墻厚0.2～0.3m，內(nèi)邊坡坡度1∶1。側(cè)墻下部0.3m高的范圍內(nèi)現(xiàn)澆一層0.2m厚的現(xiàn)澆C40硅粉鋼筋混凝土，其余部位均為現(xiàn)澆C20鋼筋混凝土。為了使水流擴散，減小躍后水深和消能塘的深度，增加消能效果，消能塘自進口以5°～7°的單側(cè)擴散角向外擴散，消能塘出口設(shè)15m長的漸變收縮整流段與下游渠道相連。

為進一步達到消能的作用，分別在陡坡段設(shè)計高、寬均為20cm的雙人字形花崗巖加糙條5組，糙條長度、中心角角度隨陡坡寬度的變化而變化，糙條間距均為400cm。在消能塘內(nèi)分別設(shè)計消力墩、尾墩。

2 觀測方法

為便于觀測，制作長、寬、高分別為1.5m、1.5m、1.2m的鋼筋籠，并在鋼筋籠上焊制固定水尺及流速儀的U螺栓。為避免鋼筋籠的擺動影響觀測精度，分別在鋼筋籠四角連接鋼絲繩，在渠道岸邊埋設(shè)固定樁。水流流速測量采用旋漿式流速儀，水深、水躍高度觀測采用鋼制水尺，水躍長度采用米尺觀測。觀測時利用吊車將觀測設(shè)備和觀測人員吊運至觀測點上方。分別觀測第一組加糙條上游0.5m、第一組糙條后水躍頂點、第一組消力墩、消力池末端T型消力墩前后30cm的水深及流速。量測第一組、第二組加糙條后的水躍長度、高度。

3 觀測結(jié)果分析

3.1 水流流速觀測分析

對于大比降輸水渠道，高速水流沖刷磨損是引起渠道及渠系建筑物損壞的主要因素之一，消能前后水流流速的變化是表征消能措施消能效果的主要表現(xiàn)。在渠道輸水流量為9.12m3/s時，經(jīng)用旋漿式流速儀測定不同部位的水流流速，測定值如圖1所示。第一組加糙條上游0.5m處觀測到的流速為5.55m2/s，第一組消力墩前30cm的流速為1.92m2/s，消力池末端T型消力墩前后30cm的流速分別為0.99、0.76m2/s。從水流流速的變化量分析，水流流經(jīng)雙人字形加糙條、消能塘、消力墩、尾墩消能后，流速減小86%，說明消能效果較好。

圖1 陡坡消能工不同部位的水流流速變化圖

3.2 水流流態(tài)觀測與分析

在觀測流量下，陡坡水深為21.6cm，佛汝德數(shù)Fr為45.553，即水流的平均動能較大，急速水流在第一組雙人字形糙條處，受糙條的阻擋，水流急速向糙條凹形口處靠攏，形成菱形波，然后在糙條上形成水躍，在糙條凸形口處形成的水躍長度、高度分別為3.63、1.18m，在糙條凹形口處形成的水躍長度、高度分別為2.64、0.65m。水躍跌入渠底，受渠底影響，形成波浪，達到摻氣作用，往復(fù)經(jīng)過5組人字形糙條，多次變向、摻氣，水流波浪浪花逐漸加大，流速減小，進入消能塘后翻滾前進，遇消力墩、尾墩阻擋，流速進一步減小，水深增加。

輸水渠道過水斷面內(nèi)受二次水流及自由表面上空氣對水流阻滯作用的影響，渠道過水斷面內(nèi)最大流速低于水面，位置處于0.6～0.8倍水深范圍內(nèi)[3- 5]。經(jīng)分析，雙人字形糙條設(shè)計高度為20cm，根據(jù)陡坡水深與糙條高度對比值，水流最大流速位置與糙條高度基本一致，且水深較淺時流過糙條頂部的水流未受上層水流的壓力及摩阻力的限制，導致水躍高度、長度較大，水流摻氣量較大，水流在糙條的反復(fù)影響下，多次形成“多變向水流”，使水流多次變向，“流核”逐漸消失，并不斷摻氣，最終在各種消能措施作用下，佛汝德數(shù)Fr減小為0.194，變?yōu)榫徚鳌?/p>

3.3 入渠推移質(zhì)粒徑觀測分析

昌馬總干渠泥沙入渠問題嚴重，根據(jù)文獻[6]的觀測結(jié)果，昌馬總干渠進水閘后，推移質(zhì)粒徑分析見表1，昌馬舊總干渠下段入渠推移質(zhì)粒徑為80mm以下，粒徑分析見表2。

表1 昌馬總干渠進水閘后推移質(zhì)粒徑分析表

表2 昌馬舊總干渠下段人渠推移質(zhì)粒徑分析表

2017年昌馬總干渠停水期，對47#陡坡下游消能塘中淤積的推移質(zhì)粒徑進行了取樣分析，結(jié)果見表3。粒徑大于90.0mm的卵石占4%，粒徑為26.5～16.0mm的砂石所占百分比為27.2%，粒徑小于2.36mm的砂石所占百分比為3.6%。47#陡坡基本處于昌馬總干渠的末端，但大粒徑卵石仍然存在。小粒徑砂石受水流的推移，逐漸向下游運移，因此粒徑小于2.36mm的砂石所占比例較小。

表3 47#陡坡消能塘淤積推移質(zhì)粒徑分析表

3.4 大粒徑推移質(zhì)運動軌跡觀測

卵石在陡坡上運動時，跳躍運動具有極強的隨機性，相同的試驗條件用同一卵石進行試驗，結(jié)果可能會有較大差異，卵石跳躍對底板的沖擊力約為自身重量的20～25倍，對底板的破壞作用較大[7]。根據(jù)昌馬總干渠入渠推移質(zhì)粒徑分析結(jié)果，挑選粒徑大于50.0mm的卵石，用紅油漆染成紅色，從陡坡上游投入水中，以便觀測運移路徑。通過人工觀測發(fā)現(xiàn)，樣品石進入陡坡后翻滾前移，到達第一組糙條前沿，受水流菱形波的影響，略向糙條凹形口偏移，撞擊糙條后，跳躍翻過糙條，撞擊陡坡地板，繼續(xù)翻滾前移，此時，翻滾幅度相對較大，在糙條間反復(fù)翻滾前移、跳躍前進，對陡坡及消能工形成破壞。小粒徑砂石受水流的推移，主要對渠道及渠系建筑物產(chǎn)生磨損破壞，而大粒徑卵石在渠底翻滾前移，一方面對渠道及建筑產(chǎn)生磨損破壞，同時產(chǎn)生撞擊破壞。尤其在陡坡中運移時，對陡坡地板、糙條、消力墩產(chǎn)生錘擊效應(yīng)，破壞明顯。

3.5 外觀質(zhì)量觀測分析

在停水期對陡坡外觀質(zhì)量進行詳細觀測，如圖2—4所示。昌馬總干渠陡坡及消能工自改造后運行至今已4年，受高速水流及大粒徑推移質(zhì)的沖刷、磨損、撞擊，陡坡及消能塘地板受損較小，加糙條迎水面棱角處部分破損，但破損面較小，消力墩迎水面底部破損相對嚴重。這是由于陡坡及消能塘設(shè)計中，地板表層襯砌厚度為0.2m的現(xiàn)澆C40硅粉混凝土，消力墩整體采用C40硅粉混凝土澆筑，經(jīng)用水下鋼球發(fā)檢測，襯砌用C40硅粉混凝土的抗沖磨強度為7.13h/(g·cm-2)，磨損率4.92%，因此，對比混凝土抗沖磨性及地板與消力墩迎水面的破損情況，消力墩破損主要受大粒徑推移質(zhì)的撞擊形成。加糙條是花崗巖石條材質(zhì)，經(jīng)整體裁制成設(shè)計尺寸，硬度較高，因此迎水面破損相對較小。

圖2 陡坡運行現(xiàn)狀圖

圖3 人字形糙條迎水面現(xiàn)狀圖

圖4 消力墩迎水面現(xiàn)狀圖

4 結(jié)論

(1)文章分析了昌馬總干渠上在觀測流量下陡坡消能工不同過水斷面上的水流流速，水流流經(jīng)5組雙人字形加糙條、消能塘+消力墩+尾墩后，流速明顯減小，陡坡消能工消能效果顯著。

(2)觀測了水流流經(jīng)陡坡后，在消能工的作用下，反復(fù)形成“多變向水流”，流核消失，摻氣量增加，由急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，平均動能急速減小。

(3)大粒徑推移質(zhì)在昌馬總干渠陡坡中跳躍、翻滾前移，對陡坡及消能工形成磨損及撞擊破壞。設(shè)計和施工中使用了C40硅粉混凝土、花崗巖加糙條，通過外觀觀測，水流沖刷及推移質(zhì)磨損造成的破壞較小，但大粒徑推移質(zhì)撞擊形成的破壞較大。