金溝河紅山水庫(kù)溢洪道下游消能工優(yōu)化試驗(yàn)研究

劉雙喜 武彩萍 李百良 楊祎祎

：水利樞紐泄洪建筑物下游的高速水流沖擊下游河床致使下游河床嚴(yán)重沖刷及岸坡淘刷，處理不當(dāng)可能危及大壩安全。針對(duì)金溝河紅山水庫(kù)溢洪道下游的消能問(wèn)題，通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)溢洪道進(jìn)行不同工況下的消能效果分析，提出了采用“臺(tái)階＋消力池＋消力坎輔助消能工”的綜合消能方案，較好地解決了紅山水庫(kù)溢洪道泄洪消能問(wèn)題，為水庫(kù)工程溢洪道下游消能防沖設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：模型試驗(yàn)；溢洪道；消力池；臺(tái)階消能；消力坎；紅山水庫(kù)

中圖分類號(hào)：ＴＶ６５３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２５

引用格式：劉雙喜，武彩萍，李百良，等．金溝河紅山水庫(kù)溢洪道下游消能工優(yōu)化試驗(yàn)研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１３６－１３９，１４５．

溢洪道是水利水電工程中常用的泄水建筑物，一般具有水頭高、流速大的特點(diǎn)，如果不采取工程措施消除余能，那么水流將沖刷下游河床，會(huì)造成惡劣的流態(tài)，影響樞紐中其他建筑物的正常運(yùn)行，甚至?xí)＜按髩蔚陌踩郏保?。通過(guò)工程消能措施消除下泄水流的余能，可以有效地解決泄水建筑物下游河道的沖刷問(wèn)題，保護(hù)溢洪道及大壩等建筑物的安全。目前，常規(guī)的消能方式有底流消能、挑流消能、面流消能、臺(tái)階消能等。水利工程的水文地質(zhì)、地形地貌條件復(fù)雜，在水利工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何合理地選擇溢洪道等建筑物的消能方式，是關(guān)系到整個(gè)水利工程安全與經(jīng)濟(jì)的重要問(wèn)題。每個(gè)工程應(yīng)根據(jù)各自的特點(diǎn)選擇適宜的消能方式，如：黃河小浪底水利樞紐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 條明流洞、３ 條排沙洞、３條孔板洞共９ 條洞及１ 座溢洪道）都宣泄在同一個(gè)水墊塘內(nèi)，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］ ；段家壩水庫(kù)根據(jù)工程特點(diǎn)，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］ ；云南省真金萬(wàn)水庫(kù)溢洪道采用階梯＋扭曲挑坎的聯(lián)合消能方案，很好地解決了溢洪道的消能防沖問(wèn)題［５］ 。

本文根據(jù)新疆紅山水庫(kù)工程特點(diǎn)，基于物理模型試驗(yàn)對(duì)紅山水庫(kù)溢洪道出口底流消能、溢洪道臺(tái)階消能以及增設(shè)輔助消能工的水力特性進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了采用“臺(tái)階＋底流消能＋消力坎輔助消能工”的綜合消能方案，以較好地解決紅山水庫(kù)溢洪道泄洪消能問(wèn)題，其對(duì)同類水利水電工程設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

１ 工程概況

紅山水庫(kù)工程位于新疆維吾爾自治區(qū)沙灣縣境內(nèi)的金溝河出山口處，是一座灌溉、防洪、工業(yè)供水兼顧發(fā)電等綜合利用的水利工程，是金溝河上的控制性工程，起著龍頭水庫(kù)的作用。水庫(kù)為Ⅲ等中型工程，總庫(kù)容為５ ３４４ 萬(wàn)ｍ３，水庫(kù)樞紐工程由擋水壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等組成。

該工程擋水和泄水建筑物按１００ ａ 一遇洪水設(shè)計(jì)（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護(hù)工程按３０ ａ 一遇洪水設(shè)計(jì)（Ｑ＝２１１．０ ｍ３ ／ ｓ）。

溢洪道布置在左岸壩肩上，采用開(kāi)敞式，由進(jìn)口引渠段、控制段、泄槽段、出口消能段組成。溢洪道設(shè)計(jì)泄量４４３．７３ ｍ３ ／ ｓ，校核泄量７７３．１１ ｍ３ ／ ｓ。進(jìn)口控制閘室段進(jìn)口底板高程８７２．００ ｍ，控制段堰型采用ＷＥＳ堰，堰頂高程８７９．００ ｍ，采用弧形工作門，孔口尺寸為１１ ｍ×８ ｍ（長(zhǎng)×寬）。泄槽由陡坡Ⅰ段、拋物線段和陡坡Ⅱ段組成，泄槽寬１１ ｍ，陡坡Ⅰ段縱坡ｉ ＝ １ ∶ ９，陡坡Ⅱ段縱坡ｉ ＝１ ∶ ２．５。出口采用底流消能，消力池長(zhǎng)５６ ｍ，底板高程８１９．８２ ｍ，池深４．５ ｍ、寬２０ ｍ。消力池后接長(zhǎng)４５ ｍ 護(hù)坦段，護(hù)坦段底寬由２０ ｍ 擴(kuò)至４９ ｍ，護(hù)坦段后設(shè)置了長(zhǎng)２０ ｍ 鋼筋石籠柔性海漫與河道平順連接（溢洪道布置見(jiàn)圖１）。

２ 模型設(shè)計(jì)

依據(jù)《水工（常規(guī)） 模型試驗(yàn)規(guī)程》（ＳＬ １５５—２０１２）（簡(jiǎn)稱《規(guī)程》），模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)［６－７］ ，根據(jù)試驗(yàn)要求、原型水流特性，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地等條件，確定模型幾何比尺λＬ ＝５０，各物理量的比尺與幾何比尺的關(guān)系見(jiàn)表１。

３ 原設(shè)計(jì)方案消能工存在的問(wèn)題

底流消能是一種傳統(tǒng)的消能方式，通過(guò)修建消力池等控制水躍位置，利用水躍引發(fā)的表面旋滾和強(qiáng)紊動(dòng)來(lái)消除水流的能量，以減少或防止水躍范圍內(nèi)發(fā)生沖刷。它具有流態(tài)穩(wěn)定、消能效果好、對(duì)地質(zhì)條件和尾水水位變化適應(yīng)性較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，且底流消能引起的泄洪霧化很小，對(duì)周邊環(huán)境影響?。郏福?，因此越來(lái)越多的水利工程采用底流消能方式來(lái)消除水流能量。紅山水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)采用底流消能，消力池池長(zhǎng)５６ ｍ、深４．５ｍ、寬２０ ｍ。試驗(yàn)結(jié)果表明，該消力池的設(shè)計(jì)體形在３０ ａ 一遇洪水時(shí)池內(nèi)可以形成完整淹沒(méi)水躍，但在設(shè)計(jì)洪水和校核洪水時(shí)池內(nèi)均形成了遠(yuǎn)驅(qū)水躍，水躍躍頭分別位于消力池池長(zhǎng)１／３ 和１／２ 位置，消力池長(zhǎng)度不能充分利用，底流消能不充分。

４ 優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案下游消能中存在的問(wèn)題，對(duì)溢洪道消能方案進(jìn)行優(yōu)化，消除水流余能，降低進(jìn)入下游河道的流速、減輕溢洪道泄水對(duì)下游河道沖刷，保障工程安全。

４．１ 消力池修改方案

原設(shè)計(jì)底流消能中溢洪道下泄設(shè)計(jì)洪水和校核洪水時(shí)出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍，表明消力池末端水深小于水躍的共軛水深，要想提高消力池下游水深，一般需要通過(guò)增設(shè)尾坎或者降低池底高程的方法來(lái)解決。根據(jù)紅山水庫(kù)工程條件，若在消力池末端增設(shè)尾坎，水流出消力池后將在下游護(hù)坦上產(chǎn)生跌水并沖擊下游護(hù)坦，則需要通過(guò)降低池底高程來(lái)提高消力池下游水深，使各級(jí)特征工況下溢洪道下泄水流均能在消力池內(nèi)形成完整淹沒(méi)水躍。通過(guò)水力計(jì)算和多次模型試驗(yàn)，將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，各級(jí)工況下消力池內(nèi)均能形成完整淹沒(méi)水躍，同時(shí)將泄槽陡坡Ⅰ段下游連接的拋物線坡面和泄槽陡坡Ⅱ段斜坡比降進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后溢洪道出口段剖面布置如圖２ 所示。

消力池底板高程降低３．０ ｍ 后，各級(jí)洪水工況下消力池內(nèi)均能形成完整的淹沒(méi)水躍，消能效果得到了改善。試驗(yàn)結(jié)果表明，各級(jí)洪水下由于下游河道水位低，水流出消力池后為跌水，且護(hù)坦過(guò)流斷面沿程逐漸增大，水深沿程逐漸變小，因此護(hù)坦及海漫段水流流速較大。校核洪水下消力池末端斷面平均流速約８．１９ｍ／ ｓ，護(hù)坦上最大流速為１２．１４ ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速為為１０．６８ ｍ／ ｓ。設(shè)計(jì)洪水下消力池末端斷面平均流速約為５．８３ ｍ／ ｓ，護(hù)坦上最大流速為９．０５ ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速為６．２５ ｍ／ ｓ。３０ ａ 一遇洪水下消力池末端斷面平均流速約為４．９５ ｍ／ ｓ，護(hù)坦上最大流速為６．８２ｍ／ ｓ，海漫末端最大流速為５．４２ ｍ／ ｓ。

４．２ 增設(shè)臺(tái)階消能方案

臺(tái)階式溢洪道是水利工程中常見(jiàn)的泄洪消能方式之一，通過(guò)在陡槽段增設(shè)臺(tái)階，使得溢流槽面的“表面糙率”增大而耗散能量。其消能機(jī)制是水流流過(guò)溢洪道臺(tái)階時(shí)，產(chǎn)生落差跌流并在臺(tái)階跌坎內(nèi)部產(chǎn)生低壓旋渦，致使泄流的紊動(dòng)急劇加大。紅山水庫(kù)溢洪道消力池體形通過(guò)修改優(yōu)化后，下游流態(tài)及消能效果得到了改善，但僅采用單一底流消能方式無(wú)法滿足下游消能防沖需求。為了提高消能率，將溢洪道陡坡Ⅱ段由光滑式改為臺(tái)階式，在該段布設(shè)了２３ 個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階尺寸為水平長(zhǎng)２．０ ｍ、高０．８８９ ｍ，下游消力池及護(hù)坦尺寸不變，即采用臺(tái)階與消力池聯(lián)合消能方式，見(jiàn)圖３。

試驗(yàn)量測(cè)了溢洪道采用“臺(tái)階＋消力池”聯(lián)合消能方式在三級(jí)特征洪水工況下消力池末端斷面水力參數(shù)，并利用式（１）計(jì)算了溢洪道消能率，結(jié)果見(jiàn)表２。從表２ 可以看出，增設(shè)臺(tái)階后，溢洪道消能率由４９．９％～５７．４％提高至８５．０％～９３．７％，推薦設(shè)計(jì)采用。４．３ 增加輔助消能工方案紅山水庫(kù)溢洪道通過(guò)在泄槽陡坡段增設(shè)臺(tái)階，同時(shí)對(duì)消力池體形進(jìn)行修改優(yōu)化后，溢洪道下游消能效果雖然得到了提高，但是各級(jí)洪水時(shí)下游河道水位較低，護(hù)坦及海漫段水深淺、流速大，進(jìn)入下游河道的水流流速遠(yuǎn)大于下游河床抗沖流速（２．２～２．５ ｍ／ ｓ），下游河道沖刷嚴(yán)重。為了減輕溢洪道泄水對(duì)下游河道沖刷，保障工程安全，采取在護(hù)坦上增設(shè)多段多排消力坎式的輔助消能工來(lái)改善消能效果。按照溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范要求，當(dāng)流速小于１６ ｍ／ ｓ 時(shí)，允許加設(shè)各種形式的輔助消能工，以提高消能率。根據(jù)試驗(yàn)量測(cè)結(jié)果，溢洪道采用“臺(tái)階＋消力池”聯(lián)合消能方式，校核洪水的護(hù)坦段最大流速小于１０ ｍ／ ｓ，因此在護(hù)坦段增設(shè)輔助消能工滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過(guò)多組輔助消能工試驗(yàn)比較，確定在護(hù)坦上增設(shè)３ 排６ 段連續(xù)消力坎，每段長(zhǎng)度均為１０ ｍ，３ 排消力坎交錯(cuò)排列，消力坎平面布置如圖４ 所示。根據(jù)護(hù)坦水深設(shè)置坎高１．０ ｍ，且３ 排消力坎坎高一致，消力坎斷面均為梯形，頂寬０．５ ｍ、底部寬為１．０ ｍ。由于護(hù)坦上水深沿程逐漸變淺，為了進(jìn)一步提高消能率，將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，為了與下游水流平順連接，將第三排坎高由１．０ ｍ 降低至０．８ ｍ。消力坎不等高方案剖面如圖５ 所示。

試驗(yàn)量測(cè)結(jié)果表明，護(hù)坦上增設(shè)３ 排６ 段連續(xù)消力坎，起到了分散水流、加劇水流紊動(dòng)摻混從而提高消能率的作用，每道消力坎還有迎拒水流，對(duì)水流的沖擊產(chǎn)生反作用力，同時(shí)消力坎還能將護(hù)坦上流速較大的底部水流挑起，改變下游的流速分布，使底部流速減小，從而減輕水流對(duì)海漫和河床的沖刷。表３ 為不同方案下海漫末端斷面中底部流速，從表３ 可以看出，在護(hù)坦上增設(shè)３ 排６ 段連續(xù)消力坎輔助消能工，與護(hù)坦上未布設(shè)消力坎相比，下游海漫末端流速明顯減小，不等高消力坎方案中由于前兩排消力坎高度增加，消力坎阻水作用以及水流紊動(dòng)作用相應(yīng)增強(qiáng)，因此消能率提高，推薦采用。

５ 結(jié)束語(yǔ)

溢洪道下游消能工體形設(shè)計(jì)的合理性對(duì)溢洪道下游的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及工程設(shè)計(jì)的成敗起著重要作用。本文通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)新疆紅山水庫(kù)溢洪道消能工體形進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)原設(shè)計(jì)方案溢洪道下游消能存在的問(wèn)題，對(duì)溢洪道下游消能工進(jìn)行了多種體形修改優(yōu)化。研究認(rèn)為，在泄槽陡坡段增設(shè)臺(tái)階，可以使溢洪道消能率提高３５％左右，護(hù)坦上增設(shè)消力坎可以有效降低海漫段的流速。研究提出的“臺(tái)階＋消力池＋消力坎輔助消能工”綜合消能方案，消能效果十分顯著，較好地解決了紅山水庫(kù)溢洪道泄洪消能問(wèn)題，該成果可供類似工程設(shè)計(jì)參考和借鑒。

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