巴溪生態(tài)壩降噪方案水工模型試驗(yàn)

李鳳濱 范建強(qiáng)

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000)

城市濱水區(qū)是城市建設(shè)規(guī)劃的核心區(qū)域，也成為城市不可多得的亮麗風(fēng)景線，其設(shè)計(jì)對(duì)改善濱水地帶水體的生態(tài)環(huán)境、提升城市文化內(nèi)涵、增加公共開(kāi)放空間、增添城市景觀具有重要作用。濱水景觀的設(shè)計(jì)規(guī)劃類(lèi)型眾多，建設(shè)的方向及理念差異較大，有以凸顯地域水域特性的設(shè)計(jì)，比如寧波慈溪白洋湖的濱水景觀設(shè)計(jì)、洛陽(yáng)洛浦公園地域特色下的濱水景觀設(shè)計(jì)、撫順渾河沿岸濱水空間設(shè)計(jì)、武漢濱水住區(qū)外部空間設(shè)計(jì)策略等；有以提升生態(tài)活力為方向的設(shè)計(jì)，有以構(gòu)筑“海綿城市”為核心的設(shè)計(jì)等。

濱水景觀的設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合水生態(tài)、人文、城市防洪等多角度的學(xué)科，其設(shè)計(jì)過(guò)程要綜合考慮。目前情況下，部分城市的濱水景觀設(shè)計(jì)美觀、環(huán)保有余，而防洪、泄洪能力不足，無(wú)法達(dá)到人與水生態(tài)和諧相處的目的。許多濱水生態(tài)壩為構(gòu)建水生態(tài)，通常修筑高度較低的擋水壩，其壩型難以達(dá)到泄洪、防洪兼顧的目的，諸多壩體設(shè)計(jì)存在泄流不足，造成水流消能噪聲。在此背景下，探求生態(tài)壩泄水消能降噪意義重大，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

1 工程概況

永安巴溪河屬于永安市內(nèi)河，此次工程的研究目標(biāo)為巴溪生態(tài)景觀1號(hào)壩，該壩斷面距上游壩體河段長(zhǎng)度為660m，距下游河段60m處為南溪中路林化橋。初始工況下，距離壩體下游5～8m位置為消能活躍區(qū)，噪聲較大，距離該區(qū)域臨岸0.5m處噪聲測(cè)值為75dB；壩體右岸80m毗鄰居民住宅，之間無(wú)障礙物阻擋，住宅臨河最近點(diǎn)測(cè)得噪聲均值為65dB，嚴(yán)重影響居民日常生活及睡眠。

生態(tài)景觀1號(hào)壩，工程類(lèi)型為重力型溢流壩，防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇。樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄水建筑物、消力池三部分組成，正常使用時(shí)，溢流壩擋水，堰頂溢流，以保持上游水位固定。同時(shí)，工程兩岸處設(shè)沖沙閘，用來(lái)定期沖沙。

工程壩頂設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為39m，上游河床高程166.5m，上游堰頂高程為168m，無(wú)溢流時(shí)景觀水深1.5m。壩體下游水深較為恒定，測(cè)值約為165m。

2 工程運(yùn)行工況

永安巴溪生態(tài)景觀1號(hào)壩相關(guān)建設(shè)參數(shù)如下，工程水流邊界示意見(jiàn)圖1。

圖1 永安巴溪生態(tài)景觀1號(hào)壩輪廓及堰上水面線示意

上游河床水平段AB，高程166.5m；堰頂C點(diǎn)高程為168m；擋水高度或景觀水深BC段1.5m；自堰頂起，經(jīng)斜線CD段、過(guò)渡銜接曲線DE段、直線EF段、反弧FG段與下游水面銜接。

當(dāng)前運(yùn)行工況下，壩前水位約170.2m，壩上水頭2.2m，堰頂斷面平均流速4.0m/s，壩攔河寬度39m，泄水流量Q為312m3/s，單寬流量q為4m3/(s·m)。

在當(dāng)前運(yùn)行模式下，距河80m的臨河住宅測(cè)得噪聲值在65dB左右。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析，引起噪聲異常的可能原因如下：

a.壩上水流流速過(guò)大，流線收縮變動(dòng)劇烈。

b.壩上邊界C、D、E處非流線特征明顯，造成消力池內(nèi)水流紊亂。

c.消力池內(nèi)消能效果較差。

針對(duì)上述可能引發(fā)噪聲的原因，擬通過(guò)壩面加糙、壩面加高、壩頂降高3種剖面設(shè)計(jì)方案，構(gòu)造水工模型，探求最佳的降噪方案。

3 水工模型設(shè)計(jì)

3.1 模型比尺選擇

依據(jù)原型消能特點(diǎn)，采用弗勞德相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)本水工模型，在優(yōu)化選定模型幾何比尺Lr=10后，其他參量的比尺如下：

3.2 模型設(shè)計(jì)優(yōu)化

目前，在不同設(shè)計(jì)工況下，水工模型的模擬噪聲大小與原型不存在相似(定量)關(guān)系，但可測(cè)得不同方案下的減噪趨勢(shì)。為此，綜合模型建設(shè)及流量控制要求，選定研究原型的寬度為2m，則此時(shí)原型流量為8m3/s，模型流量為25L/s。

模型噪聲測(cè)量設(shè)備采用聲級(jí)計(jì)，試驗(yàn)過(guò)程的測(cè)點(diǎn)選在水流消能最大斷面處，距離水面高度5～10cm。

3.3 模型試驗(yàn)?zāi)M工況

模型流量邊界：工況一20L/s、工況二25L/s、工況三30L/s。

水工模型采用壩面加糙、壩面加高、壩頂降高3種不同剖面設(shè)計(jì)形態(tài)。

4 水工模型的試驗(yàn)過(guò)程

4.1 壩面加糙方案

壩面加糙可增大沿程水頭損失，降低水躍消能水頭。

壩面加糙的方式及種類(lèi)眾多，本水工模型試驗(yàn)方案采用了工程上較為常見(jiàn)的人字形檻和交錯(cuò)式矩形糙條兩種糙面形態(tài)，見(jiàn)圖2，摒棄了壩面顆粒加糙方法。顆粒加糙易受水流空蝕破壞，在水利工程上較少采用。

初始工況下，隔板高度為0cm，在模型流量為20L/s、25L/s、30L/s時(shí)噪聲最大測(cè)值分別為38dB、40dB、40dB。

模型試驗(yàn)加糙隔板高度選0.5cm、0.8cm、1.0cm三種，1.0cm以上隔板高度對(duì)應(yīng)原型達(dá)10cm以上，阻水效果明顯，結(jié)構(gòu)體易受水擊作用而遭受破壞。

圖2 模型壩面加糙兩種常見(jiàn)形態(tài)

通過(guò)模擬流量、糙面形態(tài)邊界下的水工模型試驗(yàn)，得到壩面加糙工況下的噪聲測(cè)值，見(jiàn)表1。

表1 壩面加糙工況水工模型噪聲測(cè)值 單位：dB

糙面加糙模型試驗(yàn)結(jié)果表明：?水工模型單人字形檻糙面、交錯(cuò)式矩形糙條兩種壩面加糙方式的減噪效果均不明顯；?糙面加糙模型減噪效果隨糙面加糙高度不同而異，隔板高度小于8cm時(shí)有減噪效果，超出后反而會(huì)加大噪聲。

4.2 壩面加高方案

在工程原型中，水流漫過(guò)坡度平緩的壩頂段CD后，過(guò)壩水面線沿壩后銜接段DE急劇束窄，在EF段躍入式進(jìn)入消力池。在此過(guò)程中，原型的水面線變動(dòng)急劇，原壩面邊界水流銜接不足、流線性不足。

針對(duì)此工況，調(diào)整壩面高度，并適當(dāng)對(duì)壩面邊界進(jìn)行流線化改造，以期通過(guò)改變過(guò)壩水流流態(tài)，實(shí)現(xiàn)減噪目的。

壩面加高方案，主要針對(duì)壩面CDE段，同時(shí)考慮到模型制作尺寸，本模型模擬了168.5m、169.0m兩種壩體加高設(shè)計(jì)方案，加高幅度0.5m、1.0m，壩段CDE壩面加高設(shè)計(jì)采用流線化加高，見(jiàn)圖3。

圖3 壩面加高模擬兩種工況

結(jié)合上述不同壩頂加高優(yōu)化方案，通過(guò)水工模型試驗(yàn)，得到不同模型流量下的噪聲測(cè)值成果，見(jiàn)表2。

壩體加高水工模型試驗(yàn)結(jié)果表明：?相比壩面加糙方案，壩體高度對(duì)噪聲影響更為敏感；?壩面高度越高，模型噪聲越大，不利于降噪。

表2 壩面加高方案水工模型噪聲測(cè)值 單位：dB

4.3 壩頂降高方案

壩體加高模型試驗(yàn)表明，壩體高度對(duì)當(dāng)前水利工程噪聲影響較大，而壩體加高后會(huì)產(chǎn)生更大的噪聲。

壩高降低意味著擋水高度的降低，該擋水工程上游河床底部高程為166.5m，壩頂高程168.0m。水工模型模擬壩高采用167.5m、167.0m兩種，其相應(yīng)的壩體剖面見(jiàn)圖4。

圖4 壩頂降高模擬兩種工況

結(jié)合上述不同壩頂降高優(yōu)化方案，通過(guò)水工模型試驗(yàn)，得到不同模型流量下的噪聲測(cè)值成果，見(jiàn)表3。

表3 壩高降低方案水工模型噪聲測(cè)值 單位：dB

模型試驗(yàn)表明：壩高降低可以大大降低消能噪聲，且降低高度越大，降噪效果越明顯。

5 結(jié) 論

綜合壩面加糙、壩面加高、壩頂降高3種水工模型試驗(yàn)成果，可以得出以下結(jié)論：

a.壩面加糙方案，不論采用單人字形檻糙面還是交錯(cuò)式矩形糙條加糙，對(duì)模型的減噪效果均有限，加糙高度加大，反而會(huì)增加噪聲值。

b.壩體高度對(duì)模型的噪聲影響較大，是最為敏感的影響因子。壩面加高會(huì)增加噪聲，壩頂降高減噪效果明顯。

c.結(jié)合模型試驗(yàn)成果，可通過(guò)降低壩體高度來(lái)達(dá)到降噪目的，值得注意的是，河段單壩體的降高會(huì)導(dǎo)致臨近河段河勢(shì)出現(xiàn)較大變化，若有條件可逐階段降高以達(dá)到最終降噪的目的。

d.生態(tài)景觀壩的降噪與水工泄流消能研究差異明顯，雖然都涉及水工建筑物泄流消能優(yōu)化問(wèn)題，但各自的側(cè)重點(diǎn)略有差異，需要區(qū)別對(duì)待。

e.生態(tài)景觀壩的降噪研究，促成了水生態(tài)、人文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步和諧，可為城市濱水景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)及水工建筑物泄流消能提供重要的數(shù)據(jù)支持，具有較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。