项文月

(重庆交通大学 重庆 400000)

阶梯式陡坡消能在山地城市截洪沟的应用

项文月

(重庆交通大学 重庆 400000)

在山地城市截洪沟往往需要修建陡坡、跌水等落差建筑物用以连接上下游渠道。常见的陡坡有光滑陡坡和阶梯式陡坡，与光滑式陡坡相比，阶梯式陡坡增大了溢流槽的“糙率”，使消能效率大大提高。经研究发现阶梯式陡坡消能的效率大于50%，同时减小下游消力池的长度和深度，特别适用于中小型水利工程的效能减速[1]。

阶梯式陡坡；消能；山地城市

一、引言

近年来，各地城市化进程不断加快，越来越多的开发项目兴建在山区或者丘陵地区，这使得山坡排洪问题日益突出，为了解决这一问题往往需要依山修建截洪沟从而把山坡洪水安全引入下游的市政排水系统中。然而山地城市地形复杂，纵坡变化大，截洪沟的平面设计往往面临距离短，高差大的陡坡，如何结合地形选择合理的跌水消能工是截洪沟设计时面临的必然问题，实践证明在陡坡地段采用阶梯急流槽跌水工艺处理截洪沟高跌差能较好地解决问题。

二、阶梯式陡坡消能工艺构造

阶梯式陡坡的坡度一般大于临界坡度，一般取1:5～1:2.5，目的是在很短的距离内在水面落差很大的情况下解决水流消能的问题。阶梯式陡坡消能工是将陡坡泄槽段的底部做成若干个小台阶，使水流发生掺气，水深增大，流速减小，从而增强消能作用的一种消能型式，对于小单宽流量和较浅水深时采用阶梯式陡坡消能效果良好，消能率能达到 70%～97%[2]，山地城市截洪沟的设计正好满足这些条件。阶梯的高度应结合陡坡坡度和具体地形进行设置，一般取0.3～0.6m。

三、阶梯式陡坡消能水力计算

阶梯式陡坡急流槽由进口段、控制段、陡坡段、消能设施和出口段五段组成。其中陡坡段水力参数的计算最为复杂。水深的计算推荐使用Bose和Hager[3]提出的公式，此公式是以掺气浓度达到90%的水深Y90为依据，公式如下：

k=hcosθ

式中:Y90——掺气浓度达到90%的水深，m；

k——每级台阶的粗糙高度，m；

θ——斜坡与水平面的夹角，°；

Fr——傅汝德数；

h——每级台阶的高度，m。

流速通过能量守恒方程计算，能量损失通过消能率表示，消能率的计算推荐使用Chanson公式[4]计算，公式如下：

式中:η——消能率；

Hmax——从台阶起点上游断面的总能量水头，m；

ΔH1——上、下游断面的能量损失，m；

yc——临界水深，m；

Hd——台阶渠道总高度，m。

四、阶梯式陡坡消能效率影响因素[5]

经研究阶梯式陡坡的消能率随单宽流量的增大而减小；在单宽流量不变的情况下，消能率随流程长度呈线性增加；台阶高度增加消能效率增加；竖直高度相同时，消能效率随坡度先增大后减小，坡度对消能效率的影响较为复杂，建议取0.2～0.4。

五、阶梯式陡坡设计要点

(1)陡坡急流槽底板可采取防渗、排水、止水、锚固等必要的工程措施。

(2)陡坡急流槽底板应设置结构缝，其位置应满足结构布置要求，一般每隔 2m 设一道沉降缝，在地质条件发生变化的地方应加设沉降缝。

(3)陡坡急流槽基础采用 1:0.15 反坡，分台阶开挖，地基承载力需满足 0.2MPa。

六、总结

阶梯式陡坡消能工是应用在水利工程泄水建筑物的一种新型消能工，它增加了泄水建筑物陡坡段泄流紊动、掺气和漩滚消能，降低陡坡段流速，简化了下游消能设施，应用于山地截洪沟处理消能效果良好，同时结构物简单、造价低，便于现场施工。急流槽水流流态、掺气过程复杂，实际工程中应加以考虑。

[1]李奇,侯燕鸿，王东海.陡坡台阶式排洪渠道水力计算公式探讨[J].给水排水，2015.0353

[2]刘士和《高速水流》[M].北京：科学出版社,2005.

[3]李奇,侯燕鸿，王东海.陡坡台阶式排洪渠道水力计算公式探讨[J].给水排水，2015.0353

[4]李奇,侯燕鸿，王东海.陡坡台阶式排洪渠道水力计算公式探讨[J].给水排水，2015.0353

[5]秦广莉.台阶式溢洪道消能率影响因素分析[J].水利规划与设计，2016.02.018.

项文月(1992-)，女，重庆人，研究生，研究方向水工结构工程。