水工建筑物的消能設計問題分析

張 懌

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水工建筑物的消能設計問題分析

張 懌

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水工建筑物的消能設計是水利工程建設的關鍵，它決定了水工建筑的安全性和穩定性，甚至決定了整個水利工程的安全運行。文章結合某渠首引水工程實例，對水工建筑的消能設計進行深入研究。

渠首；水工建筑物；消能防沖；設計

1 工程概況

某渠首是葉城縣主要引水工程，屬于大(2)型水利樞紐工程，為Ⅱ級建筑物。但因為該灌區通過七一大渠，從葉爾羌河可以調水，控制了一部分灌溉面積，同時該渠首為低水頭引水樞紐，事故情況下不致造成很大的危害和損失，故可以把工程等級降低一級，按Ⅲ級建筑物設計，設計洪水標準取50a一遇，校核洪水標準取500a一遇考慮。本地區地震烈度為7度。其地基承載能力>30t/m2。河床砂礫石容重2.12t/m3，比重2.17t/m3。河床砂礫石內摩擦角：水上38°；水下30°。進水閘灌區第一分水閘的距離約4000m，其引水口高程為1475.5m。

2 消能設計控制

2.1 消能設計不利原因

由于水閘類型的不同，所需要考慮的消能設計條件也不同。這就需要在進行消能設計時，對上下游水位、這閘流量、閘門啟閉等情況進行綜合考慮。由于消能設計比較復雜，設計條件惡劣是設計過程中經常遇到的問題。在實際設計過程中，很多設計人員在完成閘下消力池水力計算后，都會發現消力池計算深度表現異常，不是深度過大，就是無法取得預期的消能效果[1]。經過研究分析，可以總結出消力池計算深度失誤，導致消能率較低的主要原因為：

1)由于上游洪水流量和下游潮位的不斷變化，容易導致過閘水流的水位、流量及流速發生不斷的變化，在設計時，如果分析不周密，而是過于簡單在設定一個上下游水位，就很容易造成消力池計算失誤的問題。

2)當下游的水位較低時，如果只考慮到閘門開度、啟閉順序來設計消力池，而沒能對下游水面曲線進行合理分析，也容易造成消力池消能率的降低。

3)沒能結合實際工況，設置一些消力墩等輔助消能設置，導致出現了水躍現象。

2.2 消能設計控制措施

消力池主要有挖深式消力池、尾坎式消力池以及綜合式消力池3種類型。消力池深度以及池底高程設計，應該根據上、下游水位，過閘流量，以及工程區的地質條件等因素來進行確定。有時計算的池深結果會出現零或負值的現象，從理論上講可以不必設置消力池，但在實際工程中，仍然會設置0.5～1m深的消力池，這樣能夠有效穩定水躍的位置，調整消力池后的流速分布，達到充分消能的目的。

當水平護坦上沒有任何尾坎時的水躍，通常稱之為自由水躍，這時需要較長的消力池，但這種結構無法適應各級泄流量，所以也很少應用實際工程當中。當消力池采用挖深式或其它形式時，消力池內會形成強迫水躍，比自由水躍自短，也相對穩定。

在對本工程消能控制進行設計時，由于本閘位于平原地區，河床的抗沖刷能力較低，所以采用了底流式消能。設計水位或校核水位時閘門全開宣泄洪水，為淹沒水流，無須消能，閘前為正常高水位1.8m，部分閘門局部開啟，只宣泄較小流量時，下游水位不高，閘下的流速度較大，才會出現嚴重的沖刷河床現象，須設置相應的消能設施，為了保證無論何種開啟高度的情況下均能發生淹沒式水躍消能，采用閘前水深H=2.4m，閘門局部開啟情況，作為消能防沖設計的控制條件；為了降低工程造價，同時保證水閘安全運行，根據閘門的操作規程，本次設計按1、2孔對稱方式開啟，分別對不同開啟孔數和開啟度進行組合計算，找出消力池池深和池長的控制條件；通過計算，為了節省工程造價，防止消力池過深，對開啟2孔高度為0.5m的消力池池深為限開條件，得出開啟2孔高度為0.9m的消力池池深為控制條件。取消力池長度11m。

2.3 消力池底板厚度確定

消力池底板又可稱為護坦，它需要承受高速水流的沖擊力、脈動壓力以及揚壓力的頂托。消力池底板的作用，主要有促使水流在底板范圍內產生水躍，以及避免河床受到沖刷。水工建筑中的消力池底板厚度，必須能夠同時滿足抗沖和抗浮要求?？箾_取決于作用在底板表面的水流沖擊力，而抗浮要求則取決到作用在閘基的滲流揚壓力。這兩種力的性質不同，分析的方法也各有不同。

根據抗沖要求，可根據沖量原理來作為設計底板厚度的依據。從沖力的觀點來看，消力池底板首端與末端采用同樣的厚度往往不合理，通常首末端池底板厚度的比值可設計為2∶1；根據抗浮的要求來看，采用等厚度的消力池底板也同樣存在不合理的問題。因為在低流消能情況下，為了達到良好的消能效果，應該將水躍控制在消力池斜坡末端，這樣斜坡上的揚壓力通常會大于其它部分，尤其是在躍首部位。因此，通常情況下消力斜坡段的底板厚度應該略大于平底段。

總體來講水閘消力池底板的厚度設計主要可分為兩步，首先是根據抗沖要求來對底板的厚度進行初步的確定，其次是根據抗浮要求來對整個底板的穩定性進行復核。然后，選擇兩者當中較大值，來確定出底板的最終厚度。但是在實際設計過程中，由于存在許多干擾因素，所以，還需要考慮一些實際問題，比如材料的強度、施工質量、地基性質以及防滲措施等。因此，在設計過程中，有必要選擇合理的安全系數。在此次對消力池底板厚度設計中，消力池底板厚度確定為t=1m。

2.4 海漫設計

在水工建筑物的消能設計中，還需要考慮海漫的長度。海漫的長度主要是由消能后的水能大小以及河床上的土質決定的。海漫的長度需要根據局部刷坑的深度，海漫末端的保護措施，以及地層的變化等多種因素來進行設計。在設計時，設計者應該根據河床的具體情況來處理。如果河床表面的土層較為堅硬，且厚度不大，且其下臥層的結構主要為砂土，那么當在遇到承壓水后，為了避免結構受到沖擊破壞，為了保證表層土的完整性，就需要對海漫進行必要的處理。海漫的長度，原則上，應該以海漫末端不發生沖刷或局部沖刷坑嘗深度不超過允許值為依據。在本工程中的海漫設計中，由于閘基土質為中粉質壤土，在經過計算后，最后確定海漫長度為12m。

2.5 防沖槽設計

水流過海漫后，多余能量得到了進一步消除，流速接近河床水流的正常狀態，但在海漫末端仍有沖刷現象，甚至會對護坦造成破壞。要想河床完全不受沖刷破壞，就需要將海漫設計的足夠長，這種作法非常不經濟。因此，可以通過在海漫末端設置防沖槽的方法，來保證結構安全和節省工程量。防沖槽就是在海漫末端開挖的土槽中堆放一定量的塊石，槽頂通常與海漫末端平齊，而槽底的高程則由堆石數量、施工開挖等條件來決定。參照已建水閘工程的實際經驗，防沖槽大多采用寬淺式的，一般深度取t=1.5～3m，此時槽頂高程與海漫末端齊平，防沖槽的底寬約為槽深的1～2倍。本工程確定的防沖槽深度d′取3m，底寬b=5，上游坡率m1=3,下游坡率m2=3。

3 結 論

本工程處于平原地區，由于平原地區土質河道的抗沖能力較低。通過有效的消力池設計、海漫設計以及防沖槽設計，能夠全面提升水工建筑物的消能防沖能力。從而最大限度的保障水閘下游水工建筑物的結構穩定性，保障人民的生命財產安全。

[1]郭憲艷，馮碩，平原地區水閘消能防沖設計探討[J].中國水運，2011，11(03)：144-145.

1007-7596(2014)10-0075-02

2014-04-12

張懌(1979-)，男，新疆庫爾勒人，工程師，從事水利工程建設管理工作。

TV653

B