支流匯入干流后穩流消能設計研究

軒旭紅

（北京中水利德科技發展有限公司，北京 100071）

根據《第一次全國水利普查公報》［1］數據，我國流域面積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13.25 萬km。河流水系由干流、若干支流、大小湖泊組成，這些河流大多發源于山區或流經山區，當支流匯入干流時，往往形成交匯河口地形。因交匯河口處自然條件復雜，致使水流紊亂、多變，并受地質條件、推移質堆積、泥石流等因素影響，重塑河形，極易形成淺灘、深槽。山區河流流經丘陵山谷地帶，河道縱坡大，匯流速度快，洪峰歷時短、強度大，洪峰陡漲陡落，枯水時間較長，年內徑流變化大，其支流分布密度較小，而平原河道的特征正好與山區河道相反。

支流匯入干流大致可分為兩類， 一類是支流非對稱接入干流，河道銜接平順，僅支流彎曲；另一類是對稱接入干流，或稱為“Y”形交匯，此類接入方式在支流接入前，支流與干流均發生彎曲，支流匯入類型中“Y”形交匯占比相對較大。由于兩股水流交匯時流態復雜，水流發生互相沖擊、摩擦、擠壓、頂托等作用，水流能量消散集中，造成河底沖刷、堤岸淘刷等現象。

鑒于此， 為解決崇禮太子城冰雪小鎮防洪工程設計中防洪暗渠支流匯入防洪暗渠干流的消能、流態及水面銜接等問題，保障防洪工程安全，通過物理模型試驗及數值計算， 分析研究支流匯入干流穩流消能特點，驗證數值計算結果，很好地解決了工程設計難題，達到了預期效果。

1 概況

太子城冰雪小鎮位于崇禮中心城區東部， 以太子城村為中心，規劃人口5000 人，總面積為303 hm2，其中非建設用地水域12.73 hm2， 建設用地總面積290.45 hm2，城市建設用地288.88 hm2，區域交通設施用地1.57 hm2。

進入太子城冰雪小鎮的主要行洪河道為2 號溝，另有4 條較大支溝在規劃建設區匯入2 號溝，分別為1 號溝、3 號溝、4 號溝及5 號溝，以上溝道形成了該區域現狀排洪體系。河道現狀位置如圖1。

圖1 河道現狀位置示意圖

因工程屬地地形高差較大，根據規劃要求，需要將進入建設區的1～5 號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題還要暢排。除3 號溝外，其余溝道通過明渠或涵管接入2 號溝，或接入2 號溝明渠段，技術難度相對較低。3 號溝匯入2 號溝位置為暗涵接入暗涵，形成一處Y 形交匯點，此處是工程能否達到預期效果的關鍵，處理不好會對匯流設施造成結構破壞、水流不暢、水流銜接不好、水位回升過高悶住下游暗涵進口等問題，為核心區防洪排水留下安全隱患，鑒于此，設計了穩流消能池，并做了數值計算與模型試驗等工作。

2 穩流消能池設計與數值計算

2.1 兩條溝概況

2 號溝為經過冰雪小鎮的主溝，發源于崇禮新洞坑村，河道流向自東北向西南，沿途納入多條山區支流，上游支流眾多，溝形明顯。在太子城遺址（位于3號溝與5 號溝之間，2 號溝北側）南至遺址西段河道緊鄰太子城遺址保護范圍， 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 號溝發源于崇禮棋盤梁村，河道匯集流域徑流而成，流經太子城遺址公園后向南，沿著遺址公園南側繞行向西以2 孔3 m×3 m（寬×高）鋼筋混凝土箱涵和2 號溝Y 字行交匯于穩流消能池。

2.2 穩流消能池設計

2 號溝和3 號溝的交匯銜接設計采用Y 字型穩流消能池，為鋼筋混凝土結構，由上游連接段、穩流消能池及下游過渡段組成。上游連接段長度20 m，其作用是將2 號溝兩孔3.5 m×3 m（寬×高）箱涵與3 號溝2 孔3 m×3 m（寬×高）箱涵水流流向逐步過渡到與下游3 孔4 m×3 m（寬×高）的2 號溝中心線平行。穩流消能池長度為24.8 m， 由中間隔墻分為2 個主要消能池，中隔墻上設3 個寬1.8 m 高3.9 m 的城門洞型平壓穩流聯通廊道，中隔墻未段設高0.8 m 的消力坎， 再設平壓穩流池， 便于水流與下游3 孔10 m長箱涵過渡， 過渡段箱涵高度由4 m 過渡到3 m。平面布置如圖2。

圖2 消能池平面布置圖

2.3 水力學數值計算

根據項目實際情況及工程布置， 此處水力學數值計算采用《水力計算手冊（第二版）》［2］中單級跌水公式及明渠恒定非均勻漸變流基本微分方程分別計算水深及流速：

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。

通過相關水力學數值公式計算結果如表1。

表1 不同工況數值計算成果

通過對比上述計算結果， 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，穩流消能池能夠很好地消能平壓穩流，利于水面銜接過渡，不會造成池尾水位過高，導致下游暗涵進口悶孔水流不暢。

因冰雪小鎮防洪標準較高， 核心區大部分防洪工程均為暗涵結構，為慎重起見，設計人員進行水工模型試驗，來驗證水力學計算。

3 模型試驗驗證

3.1 水工模型試驗驗證

3.1.1 模型設計

模型試驗研究不同頻率洪水組合作用下Y 字形消能池的消能效果、流態及水面銜接過渡，為工程設計優化提供參考。 模型搭建按照Y 字形混流消能池設計，建立室內物理模型，并根據項目區防洪規劃，確定模擬試驗工況，通過測定水流入池前后水深、斷面平均流速等水力學參數，分析匯流處、消能池及出池水流流態， 最后通過計算不同試驗工況下斷面能量及Y 字型消能池消能效率，驗證工程效果。

本項目主要研究Y 字型消能池的水流流態及消能效果，根據水流為重力起主要作用的水流特點，試驗模型按重力相似準則進行設計， 同時保證模型水流流態與原型水流流態相似。

（1）模型比尺。依據SL99—2012《河工模型試驗規程》［3］建立正態模型，結合試驗場地、設備供水能力及模型要求的最小水深， 確定模型試驗的模型比尺為λL=25。各參數比尺如下：

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時間比尺：λt=λ1/2L=5

（2）模型流量。本項目洪水資料采用已被專家評審通過的水文復核分析報告及太子城區域防洪工程規劃結論，兩種不同頻率洪水參數如表2。

表2 不同頻率洪水參數

（3）試驗量測設備。試驗過程中，利用薄壁三角量水堰測定流量，用測針測定水位，借助于N-8130型號小威龍實驗室， 用點式流速儀測量確定不同點的流速。

3.1.2 試驗情景構建

根據項目區相關規劃及設計資料， 試驗過程中洪水資料采用表1 中2 號溝與3 號溝50 年一遇、100 年一遇頻率下洪水參數。 考慮最不利條件及水文不同步現象， 確定試驗工況主要包括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 號溝或3 號溝在單獨泄洪時，Y 字型消能池內、2 號溝下游水流流態變化情況，同時模擬2 號溝或3 號溝在單獨泄洪工況下的極端狀況。

通過量測發生不同頻率洪水時各水力學參數，分析Y 字型消能池內水流的流態變化； 通過測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，進而得出消能池內水流的消能率， 研究消能池內水位對入池水流、出池水位的影響狀況。

3.1.3 消能效率分析方法

單位時間內能量損失分析采用下列公式：

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

3.2 試驗結果分析

3.2.1 水面線及流速特征

根據試驗所測水面線及流速分布特征觀測值如表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 號溝與3 號溝的入池水流平穩，入池水流不受消能池內水位頂托影響，形成自由泄流。水面線變化連續穩定， 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，2 號溝與3號溝在池中最高水位相同。隨著工況變化，在消能池內，流量增大一側池內水流翻滾較劇烈，水躍現象較前一工況明顯，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頂高程。

由于2 號溝與3 號溝流量、縱坡不同，不同工況下，入池前流速相差較大，最大流速為2 號溝入池前流速，達到7.64 m/s，最小流速為3 號溝入池前流速，達到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、消能率等參數的模型值數據如表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，兩股水流在各自區域內形成水躍。水流在穩流消能池內主流區較大動能沖向下游， 漩滾區起到消能作用，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%。各工況條件下穩流消能池均起到穩流消能作用， 不同工況下出池水流均無悶孔現象，下游水位無頂托影響，不影響水流下泄。

3.2.3 下游暗涵流量特征

水流進入下游后， 出口3 孔暗涵由于受到消能池內導墻，坎后穩流池的長度及上游來流共同影響，出池水流進入下游暗涵時， 在中間孔兩股水流發生交叉混摻，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兩股水躍混摻碰撞，水面波動較大，出池水流最高水位與最低水位差值最大為0.70 m，發生在工況4。中間暗涵過水斷面流速分布不均勻，流量介于左、右邊孔之間。

3.2.4 特殊工況

2 號溝或3 號溝單獨泄洪，該工況只在極端條件下才有可能出現， 泄洪時彎道水流跟2 號溝與3 號溝組合頻率泄洪洪水狀況一樣， 區別在于消能池內水流流態。

單獨泄洪時，由于水流存在橫向擴散，單寬流量減小，但池內隔墻橫向分流效果不明顯，未泄流側消能池內水流波動較小，并存在回流區。泄流側水流直接沖過消能池，越過消能坎，消能坎對水流的阻水作用不明顯，水流無法在消能池內形成水躍?？埠笏鱽聿患胺€定，直接沖入下游暗涵，使流量集中在邊側暗涵。

3.3 試驗結論

通過數值計算和模型試驗工況1 至工況4 都有可能發生，工況5 不可能發生，因2、3 號溝處于同一水文分區，發生概率較大是工況1 和工況4 的同頻組合，工況2 與工況3 也有可能發生。主要結論如下：

（1）由于消能池深度和坎高不足以使消能池內水流形成完全水躍，致使躍后波動較大，消能坎后水流進入穩流池仍具有較大動能。經過計算分析，Y 字型消能池的消能率在36.30%～39.79%。 在不同工況條件下， 消能池內水位不影響2 號溝暗涵和3 號溝暗涵泄流。

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

（3）2 號溝或3 號溝單獨泄洪時，泄流側消能池內水流為急流區。消能坎的設置對水流的影響較小。由于越過消能坎的水流動能較大， 直接沖入下游暗涵，使流量集中在邊側暗涵。

綜上，結合工況1 和工況4 的同頻組合試驗結果，與數值分析基本一致，微調了穩流消能池長度及深度， 將消能控制在35%～38%之間利于上游暗涵排水，又利于穩流消能池末端水流順利流向下游暗涵。

4 結語

（1）通過工程布置、水力學數值計算及水工模型試驗，驗證復雜、不利匯流條件下的支流入干流消能、流態與水面銜接，水力學數值計算與水工模型試驗相結合的方式是解決復雜問題直觀而科學的手段。

（2）通過對不同工況條件下的分析，弄清了穩流消能池水流、水位狀況，直觀地再現和驗證了計算成果，水工模型試驗及數值計算基本一致，設計人員根據成果微調了穩流消能池結構設計， 將消能效率控制在36.30%～37.11%， 很好地解決了水流過渡與水面銜接問題。

（3）數值計算結合水工模型試驗驗證，是解決復雜匯流條件的水工建筑設計的較好辦法， 可為類似工程參考借鑒。