兩級消力池在廢黃河分洪道工程中的應用

唐 波佘 磊葉 露

江蘇省宿遷市境內古黃河分洪道承擔的任務是洪水期將地勢較高的古黃河流域洪水分泄到相對低洼的平原河道內，進而流入洪澤湖中。洪水下泄時因地勢存在跌差，水流落差大、泄洪流量大、土質抗沖性差等特點，對水位銜接建筑物提出了更高的要求。此時，在銜接建筑物中設置兩級消力池可以很好地引導水流、適應地形，同時改善下泄水流沖刷河道的問題。而兩級消力池的計算方法卻很少在公開文獻上有記載。本文結合宿遷市五河分洪道中的落差建筑物五河跌水設計，介紹兩級消力池的布置和水力計算，以期為同類工程設計提供參考。

一、工程概況

該工程位于宿遷市宿城區倉集鎮境內，五河分洪道穿越老黃河大堤節點處。該節點上游地面平均高程22.0m（廢黃河高程系，下同），下游17.5m，高差達4.5m，設計水位差4.24m，為保障泄洪水流流態穩定，銜接順暢，擬在該處新建銜接建筑物。另外節點上游河道有生態蓄水要求，要求該建筑物具有蓄水功能。

根據規劃，五河跌水規劃正常蓄水位為18.55m，相應下游水位為13.50m；10年一遇分洪設計流量為112m3/s，20年一遇行洪校核流量為113m3/s，對應的水位分別為19.74m、19.75m。

二、消能方案選擇

根據地形、地質條件，選擇兩種消能工況形式進行比較，分述如下：

1.三級跌水消能

該方案由控制段及消能段兩部分組成，控制段采用等寬薄壁堰，消能采用三級跌水結構。薄壁堰為1孔，總寬為30m，堰高2.7m，堰頂高程18.55m，堰底高程同河底高程為15.85m。薄壁堰后接第一級跌水，跌差2.3m，跌水消力池長11.6m，后接尾坎高0.8m，尾坎寬2.6m；第二級跌水跌差為2.3m，消力池長13.1m，后接尾坎高0.9m，尾坎寬2.7m；第三級跌水跌差2.58m，后接挖深式消力池，池深50cm。第三級跌水后接25m長海漫，海漫后接拋石防沖槽。結構見圖1（圖中尺寸標注單位為mm，高程單位為m，下同）。

2.兩級連續消力池消能

該方案由控制段和下游連接段組成。控制段采用WES實用堰控制水流，堰寬36.90m，堰頂高程為18.55m，底板采用空箱式底板，底板頂高程為15.85m，底板底高程為13.05m，空箱高度為1.50m。控制段順水流向長13.00m，垂直水流向寬38.50m。下游連接段設消力池、海漫和防沖槽。消力池為兩級連續式消力池。第一級消力池長12.00m，池頂高程為13.85m，末端坎頂高程為14.85m，坎頂寬4.00m；第二級消力池長30.00m，其中斜坡段坡比為1∶4，長15.00m，池頂高程為11.10m，末端坎頂高程為12.10m。消力池末端設置海漫，海漫為平底坡，海漫首部設消力坎，海漫末端設置防沖槽，結構見圖2。

3.兩方案對比

圖1 方案1結構示意圖

從工程經濟性角度分析，方案1使用混凝土量和鋼筋量略少，經濟性占優；從工程結構性角度分析，方案2流態更平穩，構筑物之間銜接緊密順暢，方案2略優；工程施工角度，方案1二三級跌水施工開挖時，對相鄰構筑物基礎影響較大，地基處理難度大，防滲范圍內止水處理難度大、維修困難。綜上所述，該工程使用方案2。

三、兩級消力池設計

1.設計步驟

首先是確定消能工況的水位、流量等設計參數。其次是按單級下挖式消力池，計算消力池深度。再次是根據地形地貌，初步擬定第一級消力池深度。第四步，根據水力計算公式計算消力池各部位尺寸。

2.水力計算

（1）確定消能設計工況

該工程控制段為WES實用堰，經計算，當泄流量為分洪最大流量時，對應下游河道常水位作為消能最不利工況。WES實用堰過流量計算公式如下：

v0—行近流速，0.78m/s；

m—自由溢流的流量系數，取0.51；

σc—側收縮系數，取1.0；

σs—淹沒系數，取1.0；

B—實用堰寬度，m；

Q—過流量，m3/s。

經計算，消能工況時，實用堰過流量為114m3/s，單寬流量為3.09m3/s。

（2）單級消力池深度計算

若設置單級下挖式消力池，按下述公式計算確定：

式中：d—消力池深度，m；

hc—收縮水深，m；

hc"—躍后水深，m

α—水流動能校正系數，可采用 1.0～1.05；

q—過閘單寬流量；

b1—消力池首端寬度，m；

b2—消力池末端寬度，m；

T0—消力池底板頂面算起的總勢能，m；

ΔZ—出池落差，m；

hs'—出池河床水深，m。

經計算，若設置單級下挖式消力池，池深為5.15m，當計算消力池深度超過3.0m時，如采用一級消能，消力池的工作條件十分惡劣，不僅消力池中的流速和脈動壓力顯著增大，而且消力池池底揚壓力也很大，消力池的穩定性問題需慎重對待，處理不好甚至會影響閘室和邊墻地基的穩定。為此該工程堰下采用二級消能方案，第一級消力池底高程根據地形擬定為13.85m。第一級消力池采用消能坎式，第二級為下挖式消力池。

（3）第一級消力池水力計算

第一級消力池計算主要確定第一級消力池長度、尾端消力坎的高度和消力坎頂寬。計算原理是在消力池內水流形成淹沒式水躍。為此首先確定消力池末端下游水深，即確定消力坎頂的水頭；在同樣的水躍條件下，消力坎頂的水頭越高越容易形成淹沒水躍，因此消力坎斷面型式要求在過流量相同的情況下，可以有最大的雍水高度，即選擇消力坎坎頂堰流的流量系數最小的堰型，作為消力坎的斷面型式，根據計算手冊流量系數最小的堰型為寬頂堰，因此確定消力坎堰頂的堰型為寬頂堰。根據寬頂堰的過流公式及堰型確定條件計算堰頂水頭及堰頂寬度。計算公式如下：

圖2 方案2結構示意圖

式中：b—消能坎的寬度；

m—過坎水流流量系數，可取m=0.42。

式中：δ—堰頂寬，m；

H—堰頂水頭，m。

坎高按下式計算：

式中符號意義同前。

消力池長度按下式計算：

Lj=6.9（hc"-hc）

式中：Lj—水躍長度，m。

（4）第二級消力池水力計算

計算公式參照一級消力池計算，只是總水頭計算時，上游水頭按照第一級消力坎坎頂水頭作為下游計算的總水頭。其余計算方法同前。

經計算，并結合地形確定堰下第一級消力池長12.00m，厚度為0.60m，消力坎高1.00m，坎頂寬4.00m，滿足要求。第二級消力池深1.00m，池長15.00m，厚度為0.6m，滿足要求。

四、結語

兩級消力池的水流流態雖然復雜，但仍然是遵守目前水力學規律的，可按照現有水力學公式進行計算。該工程中設置兩級消力池，不僅有效地保證了消能效果，并且更好地適應現場地形布置要求。二級消力池沒有統一的型式，可因地制宜布置，滿足工程的經濟技術要求