軒旭紅

（北京中水利德科技發(fā)展有限公司，北京 100071）

根據(jù)《第一次全國(guó)水利普查公報(bào)》［1］數(shù)據(jù)，我國(guó)流域面積50 km2及以上河流共有45203 條， 其中流域面積10000 km2及以上河流228 條，干流及支流總長(zhǎng)13.25 萬(wàn)km。河流水系由干流、若干支流、大小湖泊組成，這些河流大多發(fā)源于山區(qū)或流經(jīng)山區(qū)，當(dāng)支流匯入干流時(shí)，往往形成交匯河口地形。因交匯河口處自然條件復(fù)雜，致使水流紊亂、多變，并受地質(zhì)條件、推移質(zhì)堆積、泥石流等因素影響，重塑河形，極易形成淺灘、深槽。山區(qū)河流流經(jīng)丘陵山谷地帶，河道縱坡大，匯流速度快，洪峰歷時(shí)短、強(qiáng)度大，洪峰陡漲陡落，枯水時(shí)間較長(zhǎng)，年內(nèi)徑流變化大，其支流分布密度較小，而平原河道的特征正好與山區(qū)河道相反。

支流匯入干流大致可分為兩類(lèi)， 一類(lèi)是支流非對(duì)稱(chēng)接入干流，河道銜接平順，僅支流彎曲；另一類(lèi)是對(duì)稱(chēng)接入干流，或稱(chēng)為“Y”形交匯，此類(lèi)接入方式在支流接入前，支流與干流均發(fā)生彎曲，支流匯入類(lèi)型中“Y”形交匯占比相對(duì)較大。由于兩股水流交匯時(shí)流態(tài)復(fù)雜，水流發(fā)生互相沖擊、摩擦、擠壓、頂托等作用，水流能量消散集中，造成河底沖刷、堤岸淘刷等現(xiàn)象。

鑒于此， 為解決崇禮太子城冰雪小鎮(zhèn)防洪工程設(shè)計(jì)中防洪暗渠支流匯入防洪暗渠干流的消能、流態(tài)及水面銜接等問(wèn)題，保障防洪工程安全，通過(guò)物理模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算， 分析研究支流匯入干流穩(wěn)流消能特點(diǎn)，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果，很好地解決了工程設(shè)計(jì)難題，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 概況

太子城冰雪小鎮(zhèn)位于崇禮中心城區(qū)東部， 以太子城村為中心，規(guī)劃人口5000 人，總面積為303 hm2，其中非建設(shè)用地水域12.73 hm2， 建設(shè)用地總面積290.45 hm2，城市建設(shè)用地288.88 hm2，區(qū)域交通設(shè)施用地1.57 hm2。

進(jìn)入太子城冰雪小鎮(zhèn)的主要行洪河道為2 號(hào)溝，另有4 條較大支溝在規(guī)劃建設(shè)區(qū)匯入2 號(hào)溝，分別為1 號(hào)溝、3 號(hào)溝、4 號(hào)溝及5 號(hào)溝，以上溝道形成了該區(qū)域現(xiàn)狀排洪體系。河道現(xiàn)狀位置如圖1。

圖1 河道現(xiàn)狀位置示意圖

因工程屬地地形高差較大，根據(jù)規(guī)劃要求，需要將進(jìn)入建設(shè)區(qū)的1～5 號(hào)溝的大部分溝段做成暗溝，在縱坡較陡匯流條件苛刻的條件下， 既要解決好支流匯流問(wèn)題還要暢排。除3 號(hào)溝外，其余溝道通過(guò)明渠或涵管接入2 號(hào)溝，或接入2 號(hào)溝明渠段，技術(shù)難度相對(duì)較低。3 號(hào)溝匯入2 號(hào)溝位置為暗涵接入暗涵，形成一處Y 形交匯點(diǎn)，此處是工程能否達(dá)到預(yù)期效果的關(guān)鍵，處理不好會(huì)對(duì)匯流設(shè)施造成結(jié)構(gòu)破壞、水流不暢、水流銜接不好、水位回升過(guò)高悶住下游暗涵進(jìn)口等問(wèn)題，為核心區(qū)防洪排水留下安全隱患，鑒于此，設(shè)計(jì)了穩(wěn)流消能池，并做了數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)等工作。

2 穩(wěn)流消能池設(shè)計(jì)與數(shù)值計(jì)算

2.1 兩條溝概況

2 號(hào)溝為經(jīng)過(guò)冰雪小鎮(zhèn)的主溝，發(fā)源于崇禮新洞坑村，河道流向自東北向西南，沿途納入多條山區(qū)支流，上游支流眾多，溝形明顯。在太子城遺址（位于3號(hào)溝與5 號(hào)溝之間，2 號(hào)溝北側(cè)）南至遺址西段河道緊鄰太子城遺址保護(hù)范圍， 采用鋼筋混凝土箱涵穿越，匯入前斷面尺寸為2 孔3.5 m×3 m（寬×高），匯入后斷面尺寸為3 孔4 m×3 m（寬×高）。

3 號(hào)溝發(fā)源于崇禮棋盤(pán)梁村，河道匯集流域徑流而成，流經(jīng)太子城遺址公園后向南，沿著遺址公園南側(cè)繞行向西以2 孔3 m×3 m（寬×高）鋼筋混凝土箱涵和2 號(hào)溝Y 字行交匯于穩(wěn)流消能池。

2.2 穩(wěn)流消能池設(shè)計(jì)

2 號(hào)溝和3 號(hào)溝的交匯銜接設(shè)計(jì)采用Y 字型穩(wěn)流消能池，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由上游連接段、穩(wěn)流消能池及下游過(guò)渡段組成。上游連接段長(zhǎng)度20 m，其作用是將2 號(hào)溝兩孔3.5 m×3 m（寬×高）箱涵與3 號(hào)溝2 孔3 m×3 m（寬×高）箱涵水流流向逐步過(guò)渡到與下游3 孔4 m×3 m（寬×高）的2 號(hào)溝中心線平行。穩(wěn)流消能池長(zhǎng)度為24.8 m， 由中間隔墻分為2 個(gè)主要消能池，中隔墻上設(shè)3 個(gè)寬1.8 m 高3.9 m 的城門(mén)洞型平壓穩(wěn)流聯(lián)通廊道，中隔墻未段設(shè)高0.8 m 的消力坎， 再設(shè)平壓穩(wěn)流池， 便于水流與下游3 孔10 m長(zhǎng)箱涵過(guò)渡， 過(guò)渡段箱涵高度由4 m 過(guò)渡到3 m。平面布置如圖2。

圖2 消能池平面布置圖

2.3 水力學(xué)數(shù)值計(jì)算

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況及工程布置， 此處水力學(xué)數(shù)值計(jì)算采用《水力計(jì)算手冊(cè)（第二版）》［2］中單級(jí)跌水公式及明渠恒定非均勻漸變流基本微分方程分別計(jì)算水深及流速：

式中hc為收縮水深；hc''為躍后水深；lj為水躍長(zhǎng)度；s 為池深；ht為下游渠道正常水深；Es為斷面比能；i為河底縱坡。

通過(guò)相關(guān)水力學(xué)數(shù)值公式計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 不同工況數(shù)值計(jì)算成果

通過(guò)對(duì)比上述計(jì)算結(jié)果， 水流入池后較入池前流速變小，雖水深變大，但仍低于出池處方涵高度，為自由出流。由此可見(jiàn)，穩(wěn)流消能池能夠很好地消能平壓穩(wěn)流，利于水面銜接過(guò)渡，不會(huì)造成池尾水位過(guò)高，導(dǎo)致下游暗涵進(jìn)口悶孔水流不暢。

因冰雪小鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)較高， 核心區(qū)大部分防洪工程均為暗涵結(jié)構(gòu)，為慎重起見(jiàn)，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證水力學(xué)計(jì)算。

3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1.1 模型設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)研究不同頻率洪水組合作用下Y 字形消能池的消能效果、流態(tài)及水面銜接過(guò)渡，為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。 模型搭建按照Y 字形混流消能池設(shè)計(jì)，建立室內(nèi)物理模型，并根據(jù)項(xiàng)目區(qū)防洪規(guī)劃，確定模擬試驗(yàn)工況，通過(guò)測(cè)定水流入池前后水深、斷面平均流速等水力學(xué)參數(shù)，分析匯流處、消能池及出池水流流態(tài)， 最后通過(guò)計(jì)算不同試驗(yàn)工況下斷面能量及Y 字型消能池消能效率，驗(yàn)證工程效果。

本項(xiàng)目主要研究Y 字型消能池的水流流態(tài)及消能效果，根據(jù)水流為重力起主要作用的水流特點(diǎn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)， 同時(shí)保證模型水流流態(tài)與原型水流流態(tài)相似。

（1）模型比尺。依據(jù)SL99—2012《河工模型試驗(yàn)規(guī)程》［3］建立正態(tài)模型，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備供水能力及模型要求的最小水深， 確定模型試驗(yàn)的模型比尺為λL=25。各參數(shù)比尺如下：

①水深比尺：λh=λL=25

②流量比尺：λQ=λ2.5L=3125

③流速比尺：λV=λ1/2L=5

④時(shí)間比尺：λt=λ1/2L=5

（2）模型流量。本項(xiàng)目洪水資料采用已被專(zhuān)家評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)的水文復(fù)核分析報(bào)告及太子城區(qū)域防洪工程規(guī)劃結(jié)論，兩種不同頻率洪水參數(shù)如表2。

表2 不同頻率洪水參數(shù)

（3）試驗(yàn)量測(cè)設(shè)備。試驗(yàn)過(guò)程中，利用薄壁三角量水堰測(cè)定流量，用測(cè)針測(cè)定水位，借助于N-8130型號(hào)小威龍實(shí)驗(yàn)室， 用點(diǎn)式流速儀測(cè)量確定不同點(diǎn)的流速。

3.1.2 試驗(yàn)情景構(gòu)建

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)相關(guān)規(guī)劃及設(shè)計(jì)資料， 試驗(yàn)過(guò)程中洪水資料采用表1 中2 號(hào)溝與3 號(hào)溝50 年一遇、100 年一遇頻率下洪水參數(shù)。 考慮最不利條件及水文不同步現(xiàn)象， 確定試驗(yàn)工況主要包括5種不同頻率洪水組合方案，如表3。

表3 不同頻率洪水組合方案

為了便于觀察2 號(hào)溝或3 號(hào)溝在單獨(dú)泄洪時(shí)，Y 字型消能池內(nèi)、2 號(hào)溝下游水流流態(tài)變化情況，同時(shí)模擬2 號(hào)溝或3 號(hào)溝在單獨(dú)泄洪工況下的極端狀況。

通過(guò)量測(cè)發(fā)生不同頻率洪水時(shí)各水力學(xué)參數(shù)，分析Y 字型消能池內(nèi)水流的流態(tài)變化； 通過(guò)測(cè)定不同頻率洪水入池前、出池后的水位，以及同一斷面不同位置的水流流速，得出斷面平均流速，進(jìn)而得出消能池內(nèi)水流的消能率， 研究消能池內(nèi)水位對(duì)入池水流、出池水位的影響狀況。

3.1.3 消能效率分析方法

單位時(shí)間內(nèi)能量損失分析采用下列公式：

式中 E進(jìn)，E出為單位時(shí)間內(nèi)消能池進(jìn)口、 出口總能量；Q1，Q2為單位時(shí)間內(nèi)2 號(hào)溝與3 號(hào)溝流入消能池的流量；z1，z2為2 號(hào)溝與3 號(hào)溝流入消能池處水深；z3為消能池出口水深；p1，p2為2 號(hào)溝與3 號(hào)溝流入消能池處壓強(qiáng)；p3為消能池出口壓強(qiáng)；v1，v2為2 號(hào)溝與3 號(hào)溝流入消能池流速；v3為消能池出口流速；Kj為消能效率。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 水面線及流速特征

根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)水面線及流速分布特征觀測(cè)值如表4、表5。

表4 不同工況下水面線特征值

由表4、表5 可知，不同工況下在Y 字型消能池入口處，2 號(hào)溝與3 號(hào)溝的入池水流平穩(wěn)，入池水流不受消能池內(nèi)水位頂托影響，形成自由泄流。水面線變化連續(xù)穩(wěn)定， 最大水深為3.71 m， 最小水深為3.11 m。 在工況1 條件下水位銜接最優(yōu)，2 號(hào)溝與3號(hào)溝在池中最高水位相同。隨著工況變化，在消能池內(nèi)，流量增大一側(cè)池內(nèi)水流翻滾較劇烈，水躍現(xiàn)象較前一工況明顯，池中最高水位均有所增加，水位變化明顯，但仍小于出口暗涵內(nèi)頂高程。

由于2 號(hào)溝與3 號(hào)溝流量、縱坡不同，不同工況下，入池前流速相差較大，最大流速為2 號(hào)溝入池前流速，達(dá)到7.64 m/s，最小流速為3 號(hào)溝入池前流速，達(dá)到4.21 m/s， 出池流速介于兩條溝入池流速之間，躍后斷面流速得到重新分布。

3.2.2 消能效率特征

在不同工況條件下，Y 字型消能池入口處、池身段及出口處水深、流速、消能率等參數(shù)的模型值數(shù)據(jù)如表6。

表6 不同工況下消能效果特征值

由表6 可知， 不同工況下在入池水流不受消能池內(nèi)水位頂托影響，形成自由泄流。受消能池中間隔墻的作用，兩股水流在各自區(qū)域內(nèi)形成水躍。水流在穩(wěn)流消能池內(nèi)主流區(qū)較大動(dòng)能沖向下游， 漩滾區(qū)起到消能作用，躍后斷面水流能量消減。在工況4 條件下消能效率最低，為36.30%；在工況3 條件下消能效率最高，為39.79%。各工況條件下穩(wěn)流消能池均起到穩(wěn)流消能作用， 不同工況下出池水流均無(wú)悶孔現(xiàn)象，下游水位無(wú)頂托影響，不影響水流下泄。

3.2.3 下游暗涵流量特征

水流進(jìn)入下游后， 出口3 孔暗涵由于受到消能池內(nèi)導(dǎo)墻，坎后穩(wěn)流池的長(zhǎng)度及上游來(lái)流共同影響，出池水流進(jìn)入下游暗涵時(shí)， 在中間孔兩股水流發(fā)生交叉混摻，水流以菱形波形式向下游傳播，3 孔暗涵流量分布不均。

不同工況條件下， 下游3 孔暗涵左岸邊孔水流流量最大， 而中間孔水流受消能池內(nèi)兩股水躍混摻碰撞，水面波動(dòng)較大，出池水流最高水位與最低水位差值最大為0.70 m，發(fā)生在工況4。中間暗涵過(guò)水?dāng)嗝媪魉俜植疾痪鶆?，流量介于左、右邊孔之間。

3.2.4 特殊工況

2 號(hào)溝或3 號(hào)溝單獨(dú)泄洪，該工況只在極端條件下才有可能出現(xiàn)， 泄洪時(shí)彎道水流跟2 號(hào)溝與3 號(hào)溝組合頻率泄洪洪水狀況一樣， 區(qū)別在于消能池內(nèi)水流流態(tài)。

單獨(dú)泄洪時(shí)，由于水流存在橫向擴(kuò)散，單寬流量減小，但池內(nèi)隔墻橫向分流效果不明顯，未泄流側(cè)消能池內(nèi)水流波動(dòng)較小，并存在回流區(qū)。泄流側(cè)水流直接沖過(guò)消能池，越過(guò)消能坎，消能坎對(duì)水流的阻水作用不明顯，水流無(wú)法在消能池內(nèi)形成水躍?？埠笏鱽?lái)不及穩(wěn)定，直接沖入下游暗涵，使流量集中在邊側(cè)暗涵。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)工況1 至工況4 都有可能發(fā)生，工況5 不可能發(fā)生，因2、3 號(hào)溝處于同一水文分區(qū)，發(fā)生概率較大是工況1 和工況4 的同頻組合，工況2 與工況3 也有可能發(fā)生。主要結(jié)論如下：

（1）由于消能池深度和坎高不足以使消能池內(nèi)水流形成完全水躍，致使躍后波動(dòng)較大，消能坎后水流進(jìn)入穩(wěn)流池仍具有較大動(dòng)能。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，Y 字型消能池的消能率在36.30%～39.79%。 在不同工況條件下， 消能池內(nèi)水位不影響2 號(hào)溝暗涵和3 號(hào)溝暗涵泄流。

（2）消能池下游3 孔暗涵段流量分布受上游2 號(hào)溝、3 號(hào)溝來(lái)流影響，中間孔洞在隔墻、穩(wěn)流池與下游導(dǎo)墻的綜合作用下，水面混摻較劇烈，波動(dòng)較大，出池水流最高水位與最低水位差值最大為0.70 m，發(fā)生在2 號(hào)溝、3 號(hào)溝100 年一遇洪水時(shí)。

（3）2 號(hào)溝或3 號(hào)溝單獨(dú)泄洪時(shí)，泄流側(cè)消能池內(nèi)水流為急流區(qū)。消能坎的設(shè)置對(duì)水流的影響較小。由于越過(guò)消能坎的水流動(dòng)能較大， 直接沖入下游暗涵，使流量集中在邊側(cè)暗涵。

綜上，結(jié)合工況1 和工況4 的同頻組合試驗(yàn)結(jié)果，與數(shù)值分析基本一致，微調(diào)了穩(wěn)流消能池長(zhǎng)度及深度， 將消能控制在35%～38%之間利于上游暗涵排水，又利于穩(wěn)流消能池末端水流順利流向下游暗涵。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)工程布置、水力學(xué)數(shù)值計(jì)算及水工模型試驗(yàn)，驗(yàn)證復(fù)雜、不利匯流條件下的支流入干流消能、流態(tài)與水面銜接，水力學(xué)數(shù)值計(jì)算與水工模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式是解決復(fù)雜問(wèn)題直觀而科學(xué)的手段。

（2）通過(guò)對(duì)不同工況條件下的分析，弄清了穩(wěn)流消能池水流、水位狀況，直觀地再現(xiàn)和驗(yàn)證了計(jì)算成果，水工模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算基本一致，設(shè)計(jì)人員根據(jù)成果微調(diào)了穩(wěn)流消能池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 將消能效率控制在36.30%～37.11%， 很好地解決了水流過(guò)渡與水面銜接問(wèn)題。

（3）數(shù)值計(jì)算結(jié)合水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，是解決復(fù)雜匯流條件的水工建筑設(shè)計(jì)的較好辦法， 可為類(lèi)似工程參考借鑒。