摘要：利用旋流場(chǎng)理論分析，大膽、巧妙地將環(huán)型堰與消力井相結合，采用簡(jiǎn)便可行設置防渦墩和外防渦墻的環(huán)型溢洪道泄流消能方式。成功地解決了進(jìn)口流速較大且流速分布極不均勻，水力條件較為復雜的泄流和消能問(wèn)題。再經(jīng)兩個(gè)水文年的溢洪實(shí)踐，表明該設計與研究在滿(mǎn)足泄洪和消能方面均達到設計預期效果。并比常規的設計可節約工程投資的1/4∽1/3；而且更為安全可靠。對在城市防洪排澇；中小型水利水電工程的泄流及一洞多用中；山區狹長(cháng)水庫行近流速比較大或切向流速比較大的水庫中，均具有良好的推廣價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：環(huán)型溢洪道 旋流 消能 防渦設施 設計與試驗研究

　　一、工程概況

　　貴陽(yáng)市貫城河是一條由北向南縱貫貴陽(yáng)市城區的河流，流域面積為21Km²，為山區雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，漲峰歷時(shí)短的特點(diǎn)。城市的發(fā)展導致地面硬化，水流下滲量減少，加大短時(shí)地表徑流。由于歷史的原因，貫城河河道過(guò)水斷面減小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地勢低洼，致使上游地區及市區暴雨強度較大時(shí)，極易形成內澇，尤以噴水池附近地區最為嚴重，給人民生命財產(chǎn)帶來(lái)巨大的損失。 為解決貫城河的水環(huán)境問(wèn)題，擬在化龍橋附近修建一條排污分洪隧洞。

　　工程的主要任務(wù)是分泄化龍橋以上河道汛期大部分洪水，提高噴水池附近繁華商業(yè)區的防洪能力。樞紐工程由環(huán)型溢洪道、隧洞等兩大部分組成，其最大排洪量為100m³/s.二、進(jìn)口方案比較 由于貫城河貫穿貴陽(yáng)市，為減少洪水對市中心的影響，該工程進(jìn)口位置只能選擇在人口較密、商業(yè)較繁華的化龍橋至沙河橋一帶。這一帶受地形及規劃用地的限制；并結合隧洞的選線(xiàn)，進(jìn)口只能選擇化龍橋上游距聯(lián)云橋約60m的上游河段上。分洪隧洞的進(jìn)口引渠與貫城河河道呈83°的交角；該河道河槽底部高程1062m，設計水位時(shí)的流速為V0=4.97m/s，這有別于水庫近似V0=0m/s行進(jìn)流速。加之出口處南明河河道河床高程1041m左右，進(jìn)出口高差近21m.泄洪流量較大，這給進(jìn)口的設計帶來(lái)了一定的難度。在布置設計時(shí)研究過(guò)三種可能的布置形式：

　　1、豎井式溢洪道 傳統的豎井式溢洪道由環(huán)型堰、漸變段、豎井、彎管及泄水隧洞進(jìn)口四部分組成。其消能機理是，當環(huán)型堰進(jìn)口曲線(xiàn)下端的高速水流脫離井壁時(shí)，挾帶空氣射入消力井中，與井底的水相互碰撞和井壁摩擦消能。根據其消能機理在布置設計其需要一段較長(cháng)的漸變段、豎井、彎管來(lái)控制水流，使水流在其中充分消能。

　　2、環(huán)型溢洪道 環(huán)型溢洪道由環(huán)型堰、消力井和消力井三部分組成。

　　與豎井式溢洪道相比其少了漸變段、豎井、彎管，增加了消力井。其消能機理是，經(jīng)過(guò)引渠引入的水流，進(jìn)入環(huán)型堰進(jìn)口時(shí)，在環(huán)型堰曲線(xiàn)下端形成高速射流，脫離環(huán)型堰壁后，挾帶空氣射入消力井中，與消力井的水墊相互碰撞消能。

　　3、龍抬頭式溢洪道+消力池消能采用龍抬頭式實(shí)用堰引流，使水流進(jìn)入消力池消能。豎井式溢洪道與環(huán)型溢洪道相比雖然工程投資相當，但其水墊較淺，消能效果沒(méi)有環(huán)型溢洪道的好；再加上受漸變段、豎井，尤其彎管的曲率半徑R不能滿(mǎn)足2-5倍控制段直徑要求，使得輸水隧洞內會(huì )出現不穩定的流態(tài)，甚至在彎管部位會(huì )出現很大的負壓。而環(huán)型溢洪道正好克服了這些缺點(diǎn)被確定為實(shí)施方案。環(huán)型溢洪道與龍抬頭式溢洪道+消力池消能相比減少占地約40%.綜上所述，從經(jīng)濟和社會(huì )效益上分析，采用較安全可靠的環(huán)型溢洪道比采用豎井式溢洪道、龍抬頭式溢洪道+消力池消能均節約投資1/4∽1/3，并減少占地約40%.而且更為安全可靠，大大降低泄洪的聲響及水霧，尤其處于城市的繁華中心區，其本工程的建成不僅大大提高貫城河一帶的防洪能力，工程的建成并不對周邊的環(huán)境帶來(lái)不利的影響。

　　三、環(huán)型溢洪道的設計

　　該工程按200年一遇洪水標準設計，按《防洪標準》（GB50201-94）的規定，本工程等別為II等，環(huán)型溢洪道等永久建筑的級別為2級。環(huán)型溢洪道由引渠、環(huán)型堰、消力井三部分組成。

　　1、環(huán)型溢洪道的理論分析

　　由于本工程地處市區內，受其用地的限制，進(jìn)口引渠位于距河道轉彎上游凸岸一側的約25m的河道上，該處河道水流流速約4m/s，使得進(jìn)口引渠的水流有偏流現象，水面高差0.5∽0.8m.由于偏流的存在，環(huán)型溢洪道水力學(xué)參數的求解必須借助于旋流理論根據質(zhì)量守恒及動(dòng)量守恒導出的連續性方程與動(dòng)量方程（又稱(chēng)N-S方程）：

　　2、環(huán)型堰設計

　�。�1）定型水頭的確定 現行《溢洪道設計規范》SL253-2000明確規定：當采用低堰時(shí)其定型水頭取Hd=0.65∽0.85Hmax，結合本工程大多數情況是在低水頭運行和洪水有陡漲陡落的特點(diǎn)；同時(shí)考慮到引渠內有4 m/s左右的的初始流速，為增加泄流量，確定采用定型水頭Hd=0.808H max的定型水頭。

　�。�2）圓形控制段半徑的計算 已知該工程的該工程的分洪流量為100m³/s，根據堰流流量公式。

　�。�3）堰面曲線(xiàn)的設計

　　根據進(jìn)口處的實(shí)際地形條件環(huán)型溢流堰布設為低堰，堰高Hp=0.5m.堰面曲線(xiàn)的設計象一般實(shí)用堰和豎井式溢洪道一樣，環(huán)型堰的形狀（漏斗段）是根據銳緣薄壁環(huán)堰的水舌下緣剖面繪制。R堰頂半徑為3.3m及Hp=0.5m，根據Hp/R及定型水頭Hd查文獻1上的相應表可得的堰面曲線(xiàn)坐標。

　　3、消力井的初步設計 現行《水工隧洞設計規范》SD134-84規定，混凝土襯砌隧洞要防止高速水流的沖刷，噴錨襯砌的允許流速，一般不宜大于8m/s.根據動(dòng)勢能轉換原理可求得本工程跌落進(jìn)消力井水舌的入水流速V=16m/s.大于噴錨襯砌的允許流速，接近高速水流的范疇。為減少對隧洞的沖刷降低流速，必須采取消能措施進(jìn)行消能。本工程擬采用的消能措施是消力井。其幾何尺寸主要是先根據跌落進(jìn)池中水流共軛水深和水躍長(cháng)度初步確定，經(jīng)計算本工程的共軛水深為4.6m；水躍長(cháng)度6.4m.考率到本工程的進(jìn)口流態(tài)較復雜，為工程的安全，在布置設計時(shí)考慮充分的消能率池深取為5.21m，直徑為8.6m.

　　因此，還需用水力試驗來(lái)加以研究確定，并為類(lèi)似的工程提供一個(gè)比較簡(jiǎn)單易懂的數據。

　　4、理論消能率的計算 消能率是評價(jià)消能工消能效果的一個(gè)指標，其等于經(jīng)過(guò)消能的能量損失與泄洪隧洞進(jìn)口段總能量之比；而經(jīng)過(guò)消能的能量損失等于該泄洪隧洞進(jìn)口段總能量減去隧洞進(jìn)口段總的能量之和。經(jīng)計算隧洞洞內在設計水位時(shí)的流速為4.1m/s，則消力井的理論消能率為73%.以就是說(shuō)跌落進(jìn)消力井水舌的入水流速V=16m/s的水流，在進(jìn)洞時(shí)其流速接近洞內在設計水位時(shí)的流速為4.1m/s，則表明消能較好。在工程布置時(shí)還需研究合理可行的消能放渦設施。以用于提高其消能率。

　　四、試驗研究環(huán)型溢洪道是一種新泄洪方式，工程實(shí)例較為少見(jiàn)。

　　對于偏流現象目前還不能對之進(jìn)行較為精確的水力學(xué)計算。亦不能計算進(jìn)口河道偏流對環(huán)型堰泄流能力的影響；以及為對防渦設施的進(jìn)一步研究，為樞紐建筑物的結構布置提供試驗依據。這也是進(jìn)行水工模型試驗的目的。

　　試驗主要研究泄洪隧洞單獨泄洪和泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪兩種方式。上游河道控制最高水位1067.00m時(shí)，泄洪隧洞單獨泄洪最大泄流量100.00m³/s，泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪時(shí)，最大泄流量140.00m³/s，下游河道控制流量40.00m³/s，泄洪隧洞泄洪流量100.00m³/s.水工模型按重力相似準則設計為正態(tài)模型，幾何比尺采用1：20，滿(mǎn)足糙率相似。經(jīng)過(guò)對五種方案的試驗研究，實(shí)測了模型中的各種水力參數、流態(tài)和消能特性，并為工程設計推薦了一個(gè)比較合理的方案。

　　1、進(jìn)流水力特性本工程引渠方向與河道呈83^о的交角，使得行近水流具有較大的初始環(huán)量，造成進(jìn)流流速分布極不均勻，引渠左右流速差達4.00m/s.且存在較大橫向水面差，橫向水面差值為0.5～0.8m.并且在進(jìn)口上游無(wú)任何調節及穩流設施，水流從河道經(jīng)寬頂堰直接進(jìn)入環(huán)型溢洪道，致使水流流速較大，高達8m/s，極大影響了進(jìn)流流態(tài)。若不采用防渦設施或采用不當，將會(huì )使環(huán)型溢洪道的下泄水流產(chǎn)生較強的豎軸吸氣旋渦，產(chǎn)生巨大的聲響。同樣由于環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)流分布極不均勻，在環(huán)型溢洪道面上產(chǎn)生局部負壓，對建筑結構極為不利，嚴重降低了環(huán)型溢洪道的泄流量，使上游河道水位大幅度升高。

　　在泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪方式時(shí)，由于下游河道泄流，環(huán)型溢洪道引渠進(jìn)口水流的主流下移，致使進(jìn)口的進(jìn)水角增大，增大了行近水流的初始環(huán)量，加劇了環(huán)型溢洪道的橫向繞流，最大橫向繞流流速達10.89m/s，水流流態(tài)更加紊亂，同樣若不采取工程措施，將會(huì )使得豎向環(huán)型溢洪道在聯(lián)合泄流時(shí)較單獨泄流時(shí)的泄流量要低。

　　2、防渦設施的確定 該工程環(huán)型溢洪道來(lái)流流速較大，偏流現象嚴重，流速分布極不均勻，在環(huán)型溢洪堰前產(chǎn)生較大的橫向繞流，水流流態(tài)更加紊亂，影響泄流。設計時(shí)擬在堰頂上布置了四個(gè)防渦墩的工程措施，但對于其防渦效果如何，還需進(jìn)行試驗進(jìn)行研究。

　�。�1）不設防渦設施 不設防渦設施時(shí)，由于受到上游來(lái)水極不均勻的影響，在環(huán)型溢洪道前產(chǎn)生較大的橫向流速，導致水流的旋轉，隨著(zhù)流量的增加進(jìn)口漩渦直徑及強度亦逐漸加大，溢流能力較低。在流量Q＝61.00m³/s環(huán)型溢洪道單獨泄流時(shí)，進(jìn)口旋渦直徑5.60m，并伴隨著(zhù)巨大的聲響，上游河道水位1067.14m，已超過(guò)最高防洪水位。

　�。�2）環(huán)型溢洪道周邊設3個(gè)防渦墩在環(huán)型溢洪道周邊設3個(gè)防渦墩，墩與墩之間夾角12^。，墩的位置經(jīng)試驗調整確定，1＃墩軸線(xiàn)與引渠對稱(chēng)中線(xiàn)的夾角25^。。

　　受水力條件的影響，環(huán)型溢洪道周邊存在旋轉水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻。在環(huán)型溢洪道單獨泄流流量Q＝100.00m³/s時(shí)，上游河道水位1066.24m.在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q＝140.00m³/s時(shí)，環(huán)型溢洪道后側的橫向流速為10.89m/s，上游河道水位1067.42m，超過(guò)校核水位0.42m.

　�。�3）環(huán)型溢洪道周邊設4個(gè)防渦墩在環(huán)型溢洪道周邊設4個(gè)防渦墩，墩與墩之間夾角90^о，1＃墩軸線(xiàn)與引渠對稱(chēng)中線(xiàn)的夾角45^о（該方案為原設計方案）。在環(huán)型溢洪道周邊存在旋轉水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻，在環(huán)型溢洪道上游的右側1#防渦墩下游溢流面上產(chǎn)生負壓，最大負壓值為1.25mH_²O.在環(huán)型溢洪道單獨泄流流量Q＝100.00m³/s時(shí)，上游河道水位1066.30m.在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q＝140.00m³/s時(shí)，上游河道水位1067.50m，超過(guò)校核水位0.50m.

　�。�4）設3個(gè)防渦墩和1個(gè)外防渦墻 根據在環(huán)型溢洪道周邊設3個(gè)防渦墩方案與設4個(gè)防渦墩的方案試驗成果比較，選定在設3個(gè)周邊防渦墩方案的基礎上，經(jīng)不同位置和尺寸的比較試驗，在環(huán)型溢洪道的橫向對稱(chēng)線(xiàn)上的右側邊墻布置一寬為1.90m的外防渦墻。

　　外防渦墻截擋了右側的較大偏向水流流速，減小了環(huán)型溢洪道周邊的橫向繞流流速，但環(huán)型溢洪道周邊還存在旋轉水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻，該方案水流條件較其它方案均有較大的改善。在環(huán)型溢洪道單獨泄流流量Q＝100.00m³/s時(shí)，上游河道水位1066.18m.在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q＝140.00m³/s時(shí)，環(huán)型溢洪道后側的橫向流速為5.34m/s，上游河道水位1066.88m，低于校核水位0.12m.

　�。�5）設3個(gè)防渦墩和2個(gè)外防渦墻 在環(huán)型溢洪道周邊設3個(gè)防渦墩、1個(gè)外防渦墻方案的基礎上，在環(huán)型溢洪道1＃防渦墩的對稱(chēng)沿長(cháng)線(xiàn)的邊墻上布置一寬為1.90m的外防渦墻，成為3個(gè)周邊防渦墩和2個(gè)外防渦墻方案（該方案為終結方案）。

　　五、試驗研究成果分析

　　1、試驗成果

　　對貫城河排污分洪隧洞工程的進(jìn)口樞紐，進(jìn)行了五種大方案十余種防渦墩布置方案的試驗研究，對于環(huán)型溢洪道要使來(lái)水均勻地進(jìn)入環(huán)型溢洪道，不發(fā)生旋轉流動(dòng)，僅僅具有適合的引水渠輪廓尚不能獲得成功，還要根據工程的具體水力邊界條件，必需采用相應的防止漩渦的設施。環(huán)型溢洪道僅在周邊設置防渦墩方案與環(huán)型溢洪道周邊設置防渦墩和外防渦墻共同使用方案比較，在環(huán)型溢洪道單獨泄流情況下，在Q＝100.00m³/s時(shí)，寬頂堰出口平均流速，左右側流速差從1.83m/s減至0.11m/s，在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q＝140.00m³/s時(shí)，寬頂堰出口平均流速，左右側流速差從4.04 m/s減至1.57 m/s，在環(huán)型溢洪道單獨泄流Q＝100.00m³/s時(shí)，上游河道水位從1066.24m降至1066.18m，在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q＝140.00m³/s時(shí)，上游河道水位從1067.42m降至1066.38m，效果明顯。

　　根據試驗結果，將原設計環(huán)型堰上布置有4個(gè)防渦墩減少為3個(gè)，為更好的防止渦流的產(chǎn)生，在引渠邊墻增加兩道防渦墻。試驗表明設計泄洪量Q=100m³/s時(shí)，最大動(dòng)水壓力為18.6mH20，最大沖擊流速為8.7m/s；較入射水流流速V=16m/s減小了進(jìn)一半，基本滿(mǎn)足了噴錨襯砌的允許流速，一般不宜大于8m/s的要求。此時(shí)的消能率為58.2%，為理論消能率的80%，消能效果較為顯著(zhù)；而且這種消能形式結構簡(jiǎn)單新穎易于布置。

　　2、試驗研究成果分析 鑒于水流邊界的特殊性和環(huán)型溢洪道是一項較為新穎的結構，國內未見(jiàn)有類(lèi)似的工程實(shí)例。對于防渦設施、消力井的布置沒(méi)有成功的經(jīng)驗可以借鑒。其中僅環(huán)型堰的孔口尺寸可以由堰流公式進(jìn)行計算。其于未見(jiàn)有較為明確的理論公式計算，為此本設計與試驗研究對此作了如下的分析工作。

　　在布置設計時(shí)只要滿(mǎn)足消力井的長(cháng)是環(huán)型堰的0.8倍，深度為0.5倍，同時(shí)滿(mǎn)足落差的0.25倍；防渦墩和防渦墻是環(huán)型堰的0.2倍。即可滿(mǎn)足要求。大大地簡(jiǎn)化了設計，為今后的推廣應用提供了方便。

　　六、結語(yǔ)

　　利用旋流場(chǎng)理論分析，結合工程實(shí)例大膽、巧妙地采用目前未見(jiàn)使用環(huán)型堰與消力井相結合，采用簡(jiǎn)便可行設置防渦墩和外防渦墻環(huán)型溢洪道的泄流消能方式。并經(jīng)試驗加以論證，成功地解決了進(jìn)口流速較大且流速分布極不均勻，水力條件較為復雜的泄流和消能問(wèn)題。再經(jīng)具體工程實(shí)例的兩個(gè)水文年度溢洪實(shí)踐，表明該工程設計與研究的布置型式在滿(mǎn)足泄洪和消能方面均達到設計預期效果。本設計與試驗研究成果，比常規的設計可節約工程投資的1/4∽1/3；而且更為安全可靠。大大降低泄洪的聲響及水霧，減少因工程的建設對環(huán)境的不利影響。本設計與試驗研究提出了簡(jiǎn)單易行的設計參數和成果。對在城市防洪排澇；中小型水利水電工程的泄流及一洞多用中；山區狹長(cháng)水庫行近流速比較大或切向流速比較大的水庫中，均具有良好的推廣價(jià)值。

　　參考文獻

　　[1] 《水工設計手冊》第六卷，泄水與過(guò)壩建筑物，北京，水利電力出版社。

　　[2] 《水流旋流器流場(chǎng)理論》，北京，科學(xué)出版社。