細河北臺段攔河壩工程橡膠壩消能防沖設計探討

孫 凱

（綏中縣水利技術推廣站，遼寧綏中125200）

細河北臺段攔河壩工程橡膠壩消能防沖設計探討

孫 凱

（綏中縣水利技術推廣站，遼寧綏中125200）

在攔河壩工程施工中，橡膠壩溢流流態比較復雜，計算工況選擇對橡膠壩消能防沖設計有著至關重要的影響。本文以遼寧本溪細河北臺段攔河壩工程橡膠壩消能防沖設計實例，闡述了控制工況的選擇及其相應的消力池、海漫、防沖槽設計計算。通過數值模擬水流流態，驗證了主要消能防沖結構——消力池的設計合理性，以期對相關工程設計有所借鑒。

橡膠壩；消能防沖設計；消力池；流態

1 工程概況

細河北臺段攔河壩工程由橡膠壩、節制閘、管理房和取水井組成。橡膠壩長204.40m，壩高為2.5m，泄流凈寬192.00m，橡膠壩底板順水流方向長9.0m，厚1.0m。整個橡膠壩共分三跨，兩邊跨壩長66m，中間跨壩長60m，中墩厚0.8m。該河道高程為111m，為防止推移質泥沙卷入壩袋底部從而增加壩袋的磨損，壩底板高程比河道高程抬高了0.2m，則底板高程為111.20m。中墩頂高程

114.20 m，邊墩頂高程114.70m。橡膠壩上下游水位差較大，為保護下游河床，需對橡膠壩進行消能防沖處理。

2 橡膠壩消能防沖設計

2.1控制工況選定

當河道流量較大時，橡膠壩處于坍壩狀態，過壩水流為淹沒出流，對河道基本無沖刷破壞現象。在橡膠壩坍壩過程中，堰上水頭及堰高均在變化，根據已建工程經驗，此工況不控制下游消能防沖。橡膠壩在運行中快速放空一孔時，堰上水頭最大，此工況最為不利，考慮壩袋中孔坍壩，按寬頂堰流計算流量，此工況按表1所示五種情況進行下游消能防沖計算［1］。

2.2挖深式消力池設計計算

消力池的種類有很多，應用較多的為消力坎式和綜合式。就其功能而言，兩種消力池的作用是相同的，主要為消剎水能、形成水躍，進而淹沒原有水躍形成的基本條件。消力池是底流消能的最主要結構，其他消能結構設計目的主要為保證消力池功能的有效實施。消力池的尺寸規格對于整個消能防沖設計有著至關重要的影響，其設計應按照不同工況條件下的防沖效果進行分析［2］，計算過程如下∶

表1 消能防沖計算工況

（1）消力池深度按下式計算∶

其中∶d—消力池深度，m；σ0—水躍淹沒系數，1.05；hc—收縮水深，m；h″c—躍后水深，m；α—水流動能校正系數，1；q—過閘單寬流量，m2/s；ψ—流速系數，0.95；T0—總勢能，m；Δ Z—出池落差，m；hs—出池河床水深，m。

（2）消力池長度計算∶

其中∶Lsj—消力池長度，m；Lj—水躍長度，m；Ls—消力池斜坡段投影長度，m；β—水躍長度校正系數，0.75［3］。

根據上述公式及參數，計算得到不同工況條件下的池內水深以及消力池尺寸，其結果見表2。

表2 橡膠壩消力池計算成果表

經上述計算，各種工況下均需修建消力池。綜合考慮，滿足各種工況條件，確定消力池池深為1.0m，池長13.5m，其中水平段長8.0m，消力池形式選用底流消能的鋼筋混凝土結構［4］。

2.3下游海漫設計

海漫的作用是對消力池消能后的水流進行進一步的余能消除，調整池水流的流速分布，恢復原水流的水流狀態，減少對河床造成不必要的沖刷影響。從海漫功能需求出發可以得出，海漫的結構應具備一定的柔性、表面的粗糙度要足夠高。海漫長度的設計要綜合考慮多方面的因素，主要包括有海漫地質條件、水閘上下游水位差、單寬流量以及表面粗糙度的要求。以最不利的水位、流量組合為計算工況［5］，下游海漫計算公式為∶

式中∶ht—下游水深，取1.34m。

計算得到，橡膠壩下游海漫長度為15.16m，故海漫長度取為16.00m，設計采用500m m厚的賓格網石籠結構。

2.4下游防沖槽設計

當流經橡膠壩的下泄水量較大時，水流經消力池與海漫消能防沖如達不到預期效果，可能造成河床的嚴重沖涮。為保障充分的消能防沖效果，需對過壩水流繼續進行消能防沖處理，可在海漫的末端設置防沖槽或其他消能功結構。防沖槽規格根據海漫末端水流對下游河床可能造成的沖刷深度來確定，同樣考慮最不利的計算工況，防沖槽深度計算，采用《水力計算手冊》中公式［6］∶

其中∶q為下游河道單寬流量，m3/s；h為海漫末端水深，m；ht為下游水深，m；z為海漫末端最大流速的位置高度，z＝0.5h；α0為動能修正系數，取1.0；d為（d50）河床沙粒徑；rs和r分別為床沙和水的重率。

帶入數據計算得到，橡膠壩下游防沖槽深度為1.168m。防沖槽設計為干砌石結構，防沖槽深為1.0m。

3 消力池水力特性分析

對消力池水力特性分析采用流體數值模擬軟件F 1 ue nt進行，根據所設計的消力池尺寸構建數值模型，并設置對應的邊界條件與力學參數，模擬分析消力池在最不利工況條件下的水流流態分布規律。

3.1消力池水流流態

數值模擬得到消力池水面線及流速分布結果，如圖1所示∶

圖1 水流流態模擬結果

分析消力池水面線及流速分布模擬結果可知，橡膠壩壩孔的水流流態呈現淹沒射流，對應的水躍長度為5m，而水流對消力池沖涮的長度約3m左右。通過橡膠壩的主水流在4m左右開始垂向擴散，到9m時水流流態轉為順流。水流流經消力池過程中形成漩渦，漩渦中心位置距橡膠壩壩孔約7m［7］。

3.2消力池臨底流速

模擬得到消力池流速分布規律，如圖2所示∶

圖2 消力池流速等值線示意圖

根據圖2（a）可知，在距消力池底板0.6m位置的水面，最大流速水面流速為14.1m/s，主要分布在距離橡膠壩4.5～8.5m范圍內，距橡膠壩9m以外的水流流速逐漸減小；消力池池尾部分區域出現流速為負值的情況。根據圖2（b）可知，距離消力池底板1.0m水面水流流速都較0.6m水面增加，高流速區域范圍亦有所擴大，但整體流速分布規律與前者相似。由橡膠壩消能防沖設計要求可知，消力池水流流態符合要求，消力池尺寸設計較為合理［8］。

4 結語

橡膠壩因其結構功能的優異性，與其他結構消能防沖設計相比，同等條件下的橡膠壩消能防沖設計標準較低。但為保證過壩水流不對河床產生沖涮，橡膠壩消能防沖設計應分工況進行，此次攔河壩工程橡膠壩消能防沖設計控制工況選取5個，計算得到消力池池深為1.0m，池長13.5m；并且為確保消能防沖的有效性，設計在消力池末端設置賓格網石籠海漫和干砌石防沖槽。水力特性數值模擬顯示，消力池內水流流態平穩，基本上不存在沖涮河床情況，驗證了消能防沖設計的合理性。

［1］高本虎.橡膠壩工程技術指南（第二版）［M］.北京∶中國水利水電出版社，2006.

［2］程漢昆，趙鵬.橡膠壩消能防沖設計研究［J］.黑龍江水利科技，2014（04）∶34-36.

［3］陳改改，邱丁初.灤河灤縣段1號橡膠壩設計綜述［J］.水利規劃與設計，2014（12）∶56-57.

［4］姜霞.論老黑山水電站橡膠壩消能防沖設計［J］.科技創新與應用，2012（28）∶191.

［5］路紅英.小埠東橡膠壩消能防沖設計試驗研究［J］.水利科技與經濟，2012（09）∶25-27.

［6］朱峰，姚寶永.汾河治理美化工程梯級橡膠壩設計［J］.水利規劃與設計，2003（12）∶30-31.

［7］吳建疆.消力池基礎抽排系統布置探討［J］.水利規劃與設計，2004（06）∶30-31.

［8］陳立新，聶世虎.水閘消力池深度與長度計算中應注意的問題［J］.水利技術監督，2005（07）∶24-25.

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：1672-2469（2016）05-0098-03

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.035

2015-12-14

孫 凱（1976年—），男，工程師。