淺談黑龍江地區水工建筑物消能結構的應用

施連功 王國升

（木蘭縣水利勘測設計隊，黑龍江 木蘭 151900）

淺談黑龍江地區水工建筑物消能結構的應用

施連功 王國升

（木蘭縣水利勘測設計隊，黑龍江 木蘭 151900）

從總體布置和結構形式方面采取經濟合理、安全可靠的防凍措施，取多種消能結構形式之所長，組成封閉式組合消能。這種組合消能工建于年最大凍脹量達30cm左右的凍土觀測上，經過十年觀測證明，總體沒有凍脹變形的現象，效果很好。

組合式；消能建筑物；應用

1 組合式消能結構的基本形式

水工建筑物需要消能的主要是跌水和涵閘，因此組合式消能工主要解決以下2個問題。

1.1 篩網（或篩梁）消能與井消能結合

帶跌差的閘（或跌水）在豎井上布置消力梁（或消力網）與井消能組成分層組合式消能，見圖1。實際運用是水流在井口改變方向下落直射到消力梁（或消力網）上，水流經消力梁（或消力網）撞擊作用消耗一部分能量，同時大量摻氣，然后細小水注落到消力井后、互相撞擊再次消能，經梁、井雙層重復消能，效果穩定可靠。

1.2 消力齒、消力柵和底流消能相結合

圖2所示的節制閘是將傳統開敞閘變成封閉閘，或是把一般的封閉式閘洞外單設的開敞消力池段取消，把洞稍加改造，變成既能輸水、消能又是閘身，同時在洞消力池內加消力齒、消力柵，并與底流消能相配合組成多層次消能。雖然消能容積小，但經多層重復消能，其效率高。

圖1 消力梁與井組合消能縱剖圖

圖2 消力齒、消力柵與底流組合消能

2 凍脹特性分析

2.1 總體布置集中、嚴緊，利于抗凍脹

組合式消能工的主要特點是充分利用有限消能空間做多層次重復消能，有利于抗凍脹。圖1所示梁、井綜合消能工，它和傳統開敞陡坡或直跌式相比，用一個平面面積很小的豎井及臥拱代替開敞式跌水（或閘）的進口段、陡坡段、消力池段吉海漫段等，縱向長度減少約2／3。消力梁和消力井為豎向空間分層布置，消能工平面尺寸小，受凍部位和面積小，且進出口基礎在一個平面上，土質相同，凍脹量和凍脹力均勻。圖2的封閉式組合消能工于傳統的洞外開敞式消能工（開敞式底流消能工也是如此），在總體布置上徹底取消了洞外單設的開敞消能力池部分，使縱向長度減少1／2，使陣線集中嚴緊，薄弱環節少，有利于抗凍脹。

2.2 采用抗凍脹好的結構形式

組合式消能工都是以力學性能優越、抗凍脹性能良好的殼體結構為主體。①圖1的消力梁布置在進口豎井中就充分利用了豎井圓抗凍脹優越的特點，該豎井圓為圓周對稱受凍脹力，其水平凍脹力大小相等，方向相反，通過抗壓性能好的豎井圓傳遞作用而平衡；②這些封閉式組合消能工臥洞大都采用拱形梁結構，其抗凍脹性能良好，拱上填土也成拱形受壓應力狀態，成拱形的較堅硬的凍土互相擠壓抵消了凍土自身產生的凍脹力，使拱本身直接受凍脹力的作用小。實際上拱上填土不是立即凍得很厚的，而是分層凍結的。先凍結的較堅硬的凍土形成凍結土拱壁，抵抗了下層凍土產生的凍脹力，使土層層凍結，層層形成凍結土拱壁，層層抵消凍脹力。拱為雙側受水平凍脹力，其水平凍脹力大小相等，方向相反，通過抗壓性能好的拱的傳遞作用而平衡，拱側的切向凍脹力沿拱的斜曲面滑動，活動底板的變形作用了衰減了基底反向凍脹力。

小型水工建筑物的組合式消能工是在減少建筑物消能工尺寸，提高抗凍脹性能的情況下，盡可能利用有限消能容積或空間做到多層次重復消能，提高消能效率。組合式消能工大都以豎井消能為主體，在此基礎上布置消力網、消力梁、消力齒、消力柵等組成組合消能。工程實踐證明組合式消能工消能效率高，節省工程量，抗凍脹性能好，長期運用安全可靠，是一項有發展前途的消能工型式。

[1]SL23-91，渠系工程抗凍脹設計規范[S].

[2]SL211-98，水利建筑物抗凍脹設計規范[S].

TU745.39

B