廣西欽州市青年水閘消能防沖建筑物設(shè)計(jì)初步研究

摘 要： 通過(guò)對(duì)廣西欽州市青年水閘除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行消能防沖計(jì)算，對(duì)工程消能防沖建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 廣西欽州市青年水閘；消力池；閘門(mén)開(kāi)啟調(diào)度；壩址下游H～Q

1 工程概況

欽州市青年水閘工程位于廣西沿海欽江流域的下游的欽州市城郊，閘址距離欽州市城區(qū)中心約5km，工程于1959年動(dòng)工興建，1960年基本建成，是一座以灌溉和城市供水為主，兼有發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用的水利工程。水閘集水面積2140km2，正常蓄水位8.5m，總庫(kù)容為6150萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)引水流量11.3m3/s，洪水期設(shè)計(jì)最大過(guò)閘流量3610m3/s，屬中型水庫(kù)，大二型水閘。閘上游左右岸設(shè)有引水灌溉和城市供水引水口，設(shè)計(jì)灌溉面積12.17萬(wàn)畝，近期設(shè)計(jì)供水規(guī)模為22萬(wàn)t/d；現(xiàn)狀供水人口30萬(wàn)人，是欽州市生活和工業(yè)用水的主要水源點(diǎn)。2008年11月，經(jīng)水閘安全鑒定，評(píng)定青年水閘安全類(lèi)別為四類(lèi)。主要結(jié)論有：閘泄洪能力、閘頂高程不足，防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求；水閘抗滑穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定不滿(mǎn)足要求；消能防沖能力不滿(mǎn)足要求；凝土表面碳化刷嚴(yán)重，強(qiáng)度降低；閘門(mén)、啟閉機(jī)銹蝕嚴(yán)重，閘門(mén)漏水，電氣設(shè)備老化；無(wú)觀測(cè)設(shè)施等。

青年水閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)維持現(xiàn)有工程任務(wù)，主要處理措施為拆除原閘壩重建。從舊閘運(yùn)行情況看，舊閘消力池及海漫底板結(jié)構(gòu)松散、護(hù)面單薄，運(yùn)行以來(lái)多次發(fā)生沖刷破壞及冒砂現(xiàn)象，雖已多次進(jìn)行修補(bǔ)加固，但仍未能解除險(xiǎn)情，嚴(yán)重影響到閘壩安全，因此，除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，消能防沖設(shè)計(jì)顯得尤為重要。青年水閘庫(kù)區(qū)屬丘陵區(qū)，水閘以下為平原區(qū)，根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，閘下游消能防沖（消力池）設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇考慮。其建筑物級(jí)別按2級(jí)考慮。

2青年水閘閘門(mén)調(diào)度規(guī)則及壩址下游H～Q

青年水閘為低水頭運(yùn)行閘壩，且汛期洪水入庫(kù)時(shí)閘門(mén)全開(kāi)不蓄水，青年水閘建成至今遠(yuǎn)未淤積至堰頂高程6.0m。由于青年水閘天然來(lái)水量較大，能滿(mǎn)足灌溉和城市供水要求，無(wú)需水閘調(diào)節(jié)庫(kù)容。加固后水閘設(shè)有12孔直升式平板鋼閘門(mén)，采用固定啟閉機(jī)啟閉。新水閘的調(diào)度原則與現(xiàn)狀基本保持一致，根據(jù)來(lái)水情況，仍按閘上水位為正常水位8.5m控制下泄，并考慮水閘敞泄洪水。提升閘門(mén)時(shí)要遵循先中間后兩側(cè)的原則，先打開(kāi)中間5#和6#閘門(mén)，然后打開(kāi)4#和7#閘門(mén)，依此順序直至閘門(mén)全部打開(kāi)；下降時(shí)，閘門(mén)關(guān)閉順序與提升順序相反，先兩側(cè)后中間，嚴(yán)禁閘門(mén)由一側(cè)向另一側(cè)逐孔啟閉。

（1）青年水閘閘下受潮水影響后H～Q綜合關(guān)系曲線(xiàn)

青年水閘閘下受潮水影響后H～Q綜合關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)表1。

表1 青年水閘閘下受潮水影響后H～Q綜合關(guān)系曲線(xiàn)關(guān)系成果表

3消能方式選擇

青年水閘最大過(guò)閘流量為3610m3/s，為II等工程，大（2）型水閘，水閘下游消能防沖（消力池）設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇考慮，下泄流量為2900 m3/s。初步選定采用底流消能型式。

4消能防沖計(jì)算

（1）閘門(mén)開(kāi)啟調(diào)度優(yōu)化

本次設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足樞紐總的運(yùn)行調(diào)度要求的前提下考慮了平板閘門(mén)自身特性、廠用配電容量等因素后初擬按下述方式開(kāi)啟閘門(mén)：

水庫(kù)需下泄特定流量洪水時(shí)，閘門(mén)按左9孔同步開(kāi)啟，待開(kāi)度達(dá)到2m時(shí)停止開(kāi)啟這9孔，再開(kāi)啟右3孔達(dá)到開(kāi)度2m，如此反復(fù)直到閘門(mén)開(kāi)啟至達(dá)到相應(yīng)泄流能力要求的孔口開(kāi)度。在達(dá)到消能防沖建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇的下泄流量2900m3/s，此時(shí)12孔全開(kāi)敞泄。最大單寬流量約26.85 m3/s。

另外，考慮可能會(huì)出現(xiàn)的單孔開(kāi)啟下泄極小流量的情況，此時(shí)單孔開(kāi)度不能大于0.5m，相應(yīng)下泄流量為70 m3/s。

綜合以上考慮，本階段試算了當(dāng)上游水位為8.5m時(shí)控制泄流量，閘門(mén)在左9孔分別分步開(kāi)啟0.5m、1m、1.5m、2m；右孔分步開(kāi)啟1m、2m；1孔開(kāi)啟0.5m；左右岸12孔閘門(mén)全開(kāi)等共9個(gè)閘門(mén)開(kāi)啟工況。

（2）消力池池深池長(zhǎng)的計(jì)算

① 消力池消能坎高度

根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》（中國(guó)水力水電出版社2006第二版）中公式，消力池消能坎高按下述公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：C——消力坎高度（m）；

σ——安全系數(shù)，一般取1.05～1.1，本工程采用1.05；

σs——坎的淹沒(méi)系數(shù)，查表；

hc——躍后水深（m）；

hc——收縮水深（m）；

q——過(guò)閘單寬流量（m2/s）；

b——消力池寬度，（m）；

φ——堰的流速系數(shù)，本工程取0.90；

hs ——出池河床水深（m）。

② 消力池長(zhǎng)度：

Lsj=Ls+βLj

Lj=6.9 （hc+ hc）

式中：Lsj——消力池長(zhǎng)度（m）；

Ls——消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度；

Β ——水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，一般取0.7～0.8，本工程采用0.75；

Lj——水躍長(zhǎng)度（m）。

③ 消力池底板厚度按規(guī)范中的公式進(jìn)行抗沖、抗浮計(jì)算：

（抗沖）

（抗?。?/p>

由于消力池底板設(shè)有排水孔，消力池底板滲透壓力為0，故只驗(yàn)算始端厚度。

t——消力池底板抗沖始端厚度（m）；

t1——消力池底板抗浮始端厚度（m）；

△H`——閘孔孔泄水時(shí)的上、下游水位差（m）；

k1——消力池底板計(jì)算系數(shù)，一般取0.15～0.2，本工程采用0.18；

k2——消力池底板安全系數(shù)，一般取1.1～1.3，本工程采用1.2；

U——作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力（kPa）；

W——作用在消力池底板頂面的水重（kPa）；

Pm——作用在消力池底板上的脈動(dòng)系數(shù)（kPa），其值可取躍前收縮斷面流速水頭值的5%。

④ 海漫長(zhǎng)度計(jì)算

消力池后接海漫，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，海漫長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

式中：Lp—海漫長(zhǎng)度（m）；

qs—消力池末端單寬流量（m2/s）；

Ks—海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)，對(duì)中粗砂取12～11，本工程取11；

ΔH`—泄水時(shí)上下游水位差△H`。

⑤ 河床沖刷深度計(jì)算

海漫末端的沖刷深度，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，按以下公式計(jì)算：

式中 dm—海漫末端河床沖刷深度（m）；

qm—海漫末端單寬流量（m2/s）；

v0—河床土質(zhì)允許不沖流速（m/s）；

hm—海漫末端河床水深（m）。

⑥ 計(jì)算結(jié)果

表2 消能防沖計(jì)算成果表

在各級(jí)泄洪流量下，所需的消力池池深、池長(zhǎng)、底板厚度、及海漫長(zhǎng)度計(jì)算成果見(jiàn)表2。

計(jì)算結(jié)果分析：經(jīng)試算，底流消能狀態(tài)與淹沒(méi)出流狀態(tài)之間的分界（臨界）流量約為1000m3/s。從計(jì)算成果表中看出，消力池深度由較小流量控制，當(dāng)水閘泄流量為192 m3/s時(shí)，計(jì)算得消力池最大深度為0.97m，底板最大抗沖厚度為1.07m；而消力池長(zhǎng)度則由最大設(shè)計(jì)（P=2%）流量控制，當(dāng)水閘泄流量為2900m3/s時(shí)，計(jì)算得消力池長(zhǎng)為40.3m，底板最大抗浮厚度為1.1m；計(jì)算得海漫長(zhǎng)為33.58m，海漫末端沖刷深度為1.98m。

5 消能防沖建筑物布置及結(jié)論

（1）消力池

樞紐消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇，在閘門(mén)按照本次設(shè)計(jì)擬定的調(diào)度開(kāi)啟原則的情況下，結(jié)合工程布置以及地形地質(zhì)情況，消力池以保留的混凝土縱堰為界劃分為左右兩部分?？v堰左側(cè)消力池寬度為99.8m，消力池長(zhǎng)41m，其中斜坡段長(zhǎng)14.8m（前端5.5m設(shè)在閘底板的下游側(cè)）；底板厚度為1.5m，面層設(shè)防裂鋼筋，消力池深2.0m，末端設(shè)消力坎，坎頂與地面齊平。縱堰右側(cè)消力池寬度為33.2m，消力池長(zhǎng)41m，其中斜坡段長(zhǎng)8.8m（前端5.5m設(shè)在閘底板的下游側(cè)），底板總厚度為2m，消力池深1m。

在消力池底板設(shè)置間距2.5×2.5m梅花形布置的無(wú)砂混凝土排水體排出基底滲水。宣泄常遇洪水時(shí)優(yōu)先使用左側(cè)9孔消力池消能。

（2）海漫

消力池出口下游河床地基上部為礫砂層，土質(zhì)松散，抗沖刷能力弱，在水閘下泄高速水流沖刷下，極易產(chǎn)生沖刷破壞。為了避免消力池下游河床受到?jīng)_刷破壞，經(jīng)計(jì)算確定下游設(shè)海漫總長(zhǎng)度35 m，其中水平段C20混凝土海漫長(zhǎng)10m，斜坡段格賓網(wǎng)石籠海漫長(zhǎng)25m，按1：50的坡度斜向下游，海漫厚度均為0.5m。為適應(yīng)沉陷變形，混凝土海漫底板順?biāo)鞣较蚍挚p與消力池底板相同。

（3）防沖槽

在格賓網(wǎng)石籠海漫后設(shè)置格賓網(wǎng)石籠防沖槽，底寬3.0 m，槽深約2.5m，頂部高程為1m，底部設(shè)置在基巖面，防沖槽開(kāi)挖邊坡采用1：2，上游與海漫相接，下游與河床原地面順接。

左9孔消力池?cái)嗝嬉?jiàn)圖1。

總而言之，本工程雖然水閘的水頭不大，但是由于水閘過(guò)閘流量大，加上河道土質(zhì)抗沖能力較小，將出現(xiàn)消能防沖的較不利工況。因此在消能防沖建筑物設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮水流出池之后的沖刷影響，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)閘門(mén)運(yùn)用管理，運(yùn)行中要求遵守均勻齊步、分級(jí)開(kāi)啟、間隔對(duì)稱(chēng)等啟閉原則，力避開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)大起大落的運(yùn)用方式?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] 水力計(jì)算手冊(cè) 第二版/李煒主編 [M]，北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[2] 《取水輸水建筑物叢書(shū) 水閘》[M]，北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介：彭高著（1988—），男，廣西河池人，廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。