底流式消能設計淺析及工程應用

李育華，袁 靜

(江寧區水務局，南京 211112)

0 引 言

水閘下游的消能防沖設計，與水閘結構自身、閘下河道堤防的穩定性有很大的關系[1]。據不完全統計，在我國水閘的安全普查中，水閘出水部位的消能工設計中約有42%在水閘運行過程中，存在嚴重沖壞問題[2]。通過以往水閘運行過程及消能措施破壞程度研究分析，消能措施的消能效果，不僅與水閘下泄設計洪水工況有關，還與施工條件及水閘運行過程密不可分[3]。

姜林閘地處趙村水庫溢洪河末端，從地形上來說，正處在山丘區向圩區過度的山圩混合區，地形在閘址處有一突降，落差約為3m。從水閘本身來說，這樣的位置利于降低挖深、節省造價，也造成水閘需解決一定落差帶來的消能問題。文章基于姜林閘水閘存在的消能問題，針對消能工設計條件、消力池、海漫等設計進行探討，以期提出適合本工程的消能方式。

1 水閘消能工設計注意事項

1)鑒于下游潮位及上游洪水流量是隨時間季節不斷變化，相關過閘水流的流量、下游水位、下泄流速均為變量，設計者在設計水閘時需考慮此變化，進行關鍵過程分析；

2)當閘下水位較低時，需對下游水位繪制變化曲線，進行水位跟蹤分析；在多級消力池設計中，需綜合考慮閘門的啟閉順序、開度等因素；

3)水閘設計流量較大，流速較急時，需綜合設計一些輔助消能工，促使水躍的發生。

2 水閘消能工設計

2.1 消力池挖深設計

常見底流式消力池的挖深設計方法有綜合式計算方法及動量方程方法。綜合式消力池護坦末端消能坎高度及挖深的計算簡圖如圖1所示。計算流程如下：

1)首先假設消力池會形成二次水躍，可得相應躍后水深為h(下游水深) 。進而反推計算出躍前水深；

2)通過躍前及躍后水深值，可求得消力坎后的躍前總水頭E，進而推算出消力坎頂處總水頭，可計算得出坎高C；

3)再通過迭代計算動量方程，求解得到消力池深值。

采用動量方程求解時，公式中采用的是靜水壓，未考慮水流在躍過護坦末端消能坎時，水流劇烈的紊動會產生動水壓力，此壓力遠大于計算采用的靜水壓，因此，該方法計算所得池深比采用堰流計算公式的計算結果要偏小一些。

圖1 底流式消力池挖深設計綜合式計算簡圖

2.2 海漫設計

海漫的設計中，最主要的就是材料的選取，常用材料有塊石或混凝土。同時要求，海漫結構表面具有一定程度的抗沖性、粗糙度、柔韌性及透水性。

1)海漫的結構型式：

海漫的結構型式應具有消耗水流的余能的作用，并保證結構自身安全穩定，可以達到對河床的保護目的；同時在一定程度上，結構整體應具有適應河床變形的柔韌性。總結常見海漫結構型式如表1所示。

表1 常見海漫特性比較表

2)海漫布置型式：

為保證下泄水流通暢，海漫的順水流坡度不應陡于1 ∶10。干砌石海漫還需注意，當用于大、中型水閘中，還需用混凝土或漿砌石格埂，以框格型式分塊布置，格埂的間距可為10-15 m，橫斷面尺寸常用40 cm ×60 cm。

3)海漫長度計算：

通過海漫長度的計算公式，可知消能后剩余能量的大小以及河床土質的抗沖能力是計算的關鍵因素。海漫長度計算公式為：

Lp=kqΔH(原南京水科所提出經驗公式)

(1)

該公式適用于消能擴散良好情況下，即q ΔH = 1-9。

式中：ΔH為閘孔泄水時的上下游水位差，m；q為消力池末端的單寬流量，m3/( s·m) ；k為海漫長度計算系數，取值范圍詳見表2。

表2 海漫長度計算系數取值范圍表

計算過程中，應采用各種水位流量組合的試算方法，取計算結果中的最大值。同時還應參考海漫末端保護措施、允許局部沖刷坑深度、地層變化等因素，最終綜合考慮確定海漫的長度。

3 工程應用

3.1 工程概況

姜林閘位于趙村水庫溢洪河下游，地處南京市江寧區橫溪街道姜林村，系中型水庫趙村水庫溢洪河補水線配套工程。主要功能：①抗旱：旱季關閘蓄水，將上游河道水位維持在高程▽11.70m，以解決橫溪鎮許呈村、橫山村的人畜生活用水及大部分丘陵山區的農業生產缺水的問題；②蓄水：平時通過閘門的合理開度，將上游河道水位維持在高程▽9.00m；③泄洪：汛期開閘宣泄洪水，排泄上游趙村水庫下泄流量、以及趙村水庫溢洪河沿岸山丘區與圩區的來水，縮短防洪路線，減少或免除洪災損失。

工程建于1987年10月，1988年6月竣工并投入使用。

圖2 姜林閘地理位置圖

3.2 消能防沖布置

水閘的消能防沖布置應根據閘基地質情況、水力條件以及控制運用方式等因素，進行綜合分析確定。

該閘的運行，根據閘上來水分別采用全開泄水和閘坎頂溢流的方式。

根據前文分析，姜林閘采用底流式消能、下挖式消力池，消力池后設置海漫和防沖槽，海漫結構采用生態石籠，防沖槽結構為拋石結構。

3.3 水力計算

3.3.1 消力池設計

1)消力池深度。

根據根據《水閘設計規范》附錄B，按上游水位11.70m，下游水位9.00m工況，計算結果詳見表3。

表3 消能計算結果表

經計算下游側不需設消力池，但從安全運行角度考慮，仍設深1.0m的構造消力池。

2)消力池長度。

根據《水閘設計規范》(SL265-2001)，消力池長度計算結果詳見表4。

表4 消力池長度計算結果表

設計中，消力池長度取值為33.5m。

3)消力池底板厚度。

根據《水閘設計規范》(SL265-2001)，消力池底板厚度計算結果詳見表5。

表5 消力池底板厚度計算結果表

設計中，消力池底板厚度取值為0.80m。

綜上，消力池各部位設計平剖面圖詳見圖3、4。

圖3消力池剖面圖

圖4 消力池平面圖

3.3.2 海漫設計

根據《水閘設計規范》，海漫長度按下式計算：

(2)

式中：Lp海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m2/s，取qs=6.6m2/s；Ks為海漫長度計算系數，取Ks=9。

經計算，海漫長度Lp=29.55m。根據布置，下游側海漫長度為30.0m，滿足要求。

3.4 消能效果

姜林閘主體工程已于2016年汛前完工，工程經歷了2016年秦淮河流域超歷史暴雨洪水的考驗，消能效果明顯，對水閘及下游河道起到了保護作用。消能設計現狀詳見圖5。

圖5 姜林閘消能工完建現狀示意圖

4 結 語

1)在水閘的消能設計中，應綜合考慮過閘流量、上下游水位、閘門啟閉的組合過程等控制條件，同時還需做適時跟進的分析工作，保證消能設計的安全可靠。

2)底流式的消能設計，水流在流出消力池之后仍存在劇烈紊動現象，此時底部流速較大，對河床的沖刷較大。除非河床為抗沖較強的基巖以外，其他河道仍需在護坦下游加設海漫，進一步消減水流的多余能量，調整流速分布，使水流均勻地擴散。

3)通過理論分析及計算，發現采用動量方程迭代計算的消力池池深，較采用堰流計算公式的計算結果要偏小一些。建議消力池挖深的計算，參考《水力學》(清華大學)中用能量方程計算方法。

4)海漫的布置，除下游河床局部沖刷不大時，可采用水平海漫，大多數采用傾斜海漫，以減小沖刷坑底與海漫末端的高差，有利于海漫的安全，并可減少海漫末端的防沖加固工程量。

[1]康立榮，徐文俊，吝江峰．江蘇大中型病險水閘概況及主要加固措施探討[J]．水利建設與管理，2014 (03):56-59．

[2]水利部水利建設與管理總站，黃河水利科學研究院，河南黃河勘測設計研究院．病險水閘除險加固技術指南[M]．鄭州:黃河水利出版社，2009．

[3]蔡新．水利工程安全隱患與病害特點[J]．小水電，2004(06):35-37．