某水閘樞紐工程消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李天斌

（廣東宇源水利發(fā)展有限公司，廣東 梅州 514000）

1 工程概況

某水閘樞紐工程的組成為泄洪閘、水輪泵、溢流壩等建筑，該工程項(xiàng)目的主要功能是發(fā)電、防洪及水資源調(diào)節(jié)，建筑項(xiàng)目區(qū)灌溉面積約為466.67 hm2，工程受益人口為9 000 人左右。建筑項(xiàng)目區(qū)整體地勢北部以及東部較低、西部南部較高，屬于是1 級階地沖擊堆積地貌單元。水閘建筑控制流域收集雨水面積約為800 km2，河流干道長度大于20 km，水閘建筑位置坡比降平均1.80%。水閘地質(zhì)河床寬度約為50～70 m，河床高程最高49.70 m 最低為27.51 m，水閘上游水深4～5 m、下游水深1～3 m，河岸沿岸多是1至2級階地。水閘總軸線高度為75.90 m，水位的高程是42.51 m，有7 個出水孔，閘孔寬度的設(shè)計(jì)值為6 m，閘孔之間設(shè)置的閘墩厚度為1.40 m，在左側(cè)、右側(cè)邊墩厚度則降低至1.22 m，閘室在順?biāo)鞣较蛟O(shè)計(jì)為10 m長，所以建造為平底板樣式，閘墩頂部高度為45.52 m；水輪泵站規(guī)格為4.60 m。水閘過流能力見表1。

表1 水閘過流能力表

2 消能方法

不同的水閘效能技術(shù)，特征也有所差異。挑流式消能技術(shù)是利用水閘出水口位置的挑流鼻坎，將從水閘中排出水流以拋射方法，落入到距閘門比較遠(yuǎn)的河床尾部來消能，讓從水閘內(nèi)部排泄出的水流，與下游穩(wěn)定的水體交匯，讓水體在多層位產(chǎn)生旋滾，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水體能量降低的目的，適合用在中、低水頭的泄水工程中，以實(shí)現(xiàn)降能并防止沖刷；底流式消能指的是通過消力池等工程的修建，對水體能量造成的損害進(jìn)行控制，運(yùn)用水躍所引發(fā)的表面旋滾與強(qiáng)紊動，使水流的能量降低，從而防止在水躍的范圍之內(nèi)受沖刷的影響，該種方式普遍用于地勢較為平緩的區(qū)域。

按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與分析，如表2 所示。從表2 數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，此工程擬采用底流消能，及時(shí)降低泄水期間對河床產(chǎn)生的沖刷影響。

表2 水閘下游水位與流量關(guān)系表

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 消力池

以將水流動能減弱，繼而確保在水躍覆蓋范圍內(nèi)的河床，避免水流沖刷，規(guī)避水流侵蝕。如果過閘水流具有較大流量，則會于下游位置產(chǎn)生淹沒水躍；又因?yàn)樗l下游位置具有一定深度，在過閘水流流量較小時(shí)，不符合淹沒需求，水流會于下游位置產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍，河床的水流沖刷比較嚴(yán)重，所以，通過消力池的作用，以對排泄出的流體實(shí)施消能。

對水閘外工程設(shè)計(jì)則需要考慮水流消能問題，并結(jié)合《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，對躍后水深以及下游水深的關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)與判別。

3.2 海漫

因?yàn)槌鱿Τ刂螅饕廊淮嬖谥^大的能量，還是會對下游河床產(chǎn)生負(fù)面影響。所以，一般會于消力池下游位置，建設(shè)海漫建筑，從而將水流殘留剩余能量全部消除。同時(shí)，對于水流流速做相應(yīng)調(diào)整，并對水流流速與河道本身水流穩(wěn)定性之間的關(guān)系進(jìn)行分析，對河床保護(hù)會產(chǎn)生直接的影響，降低沖刷對護(hù)坡所產(chǎn)生的影響。在海鰻計(jì)算與分析中，針對海漫長度、末端位置的沖刷深度等進(jìn)行計(jì)算與分析。

3.2.1 海漫長度Lp

海漫長度可以按照公式（1）計(jì)算，

式中：qs—為消力池末端位置的單寬流量［m3/（s·m）］；△H—為上游、下游產(chǎn)生的高度差（m）；Ks—為海漫長度計(jì)算系數(shù)，以河床土質(zhì)結(jié)構(gòu)選擇合適數(shù)值。對于粉砂質(zhì)，根據(jù)其河床土質(zhì)結(jié)構(gòu)值，選擇最大計(jì)算系數(shù)，即14，如果是堅(jiān)硬黏土河床，則選擇最小的7為計(jì)算系數(shù)。

經(jīng)過計(jì)算后，本設(shè)計(jì)的下游護(hù)坦和海漫總長度設(shè)為45 m。

3.2.2 末端沖刷深度dm

對于末端河床的沖刷深度，現(xiàn)使用公式（2）計(jì)算，

總結(jié)過去建設(shè)的水閘工程經(jīng)驗(yàn)，對于下游位置的防沖槽深度，多選擇1.50～2.50 m，而防沖槽中拋石量，選擇下游河床沖刷到最深位置時(shí)，塊石最容易發(fā)生垮塌的臨界情況，以此時(shí)的拋石量為準(zhǔn)。所以，此設(shè)計(jì)dm選擇2.20 m。

4 數(shù)據(jù)復(fù)核

利用消力池的底流提高消能處理效果，在水閘的擋水工程正常運(yùn)行時(shí)，上游水位為42.62 m，而下游水位則為38 m，在啟動第一孔閘門時(shí)，啟動閘下消能系統(tǒng)。以水力調(diào)洪的計(jì)算結(jié)果，而在提高閘門開孔數(shù)量后，下游水深會逐漸提高，讓上游、下游之間的水位差發(fā)生相應(yīng)減小，而在預(yù)設(shè)和校核洪水的運(yùn)行模式下，水閘上游、下游的水位差在0.29 m、0.28 m 情況時(shí)，下游水深為44.29 m、43.86 m，可是水閘在此時(shí)擁有較大的泄流量。所以，對于預(yù)設(shè)和校核洪水的運(yùn)行情況，不能作為有效控制閘下消能情況使用。

此設(shè)計(jì)中的水閘，在閘上水位為42.65 m，而閘下的原本水位為38 m，以這種水位組合模式設(shè)計(jì)開閘泄水系統(tǒng)。在對泄洪孔的數(shù)量進(jìn)行分析后，則需要對水流在消力池中的擴(kuò)散影響因素進(jìn)行分析，消能計(jì)算結(jié)果可以參照表3。

表3 泄洪閘消力池消能防沖計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算的結(jié)果顯示：在各種運(yùn)行情況下，消能防沖設(shè)施規(guī)格與閘門開啟模式具有密切關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，要先開啟—孔第一級，之后再將其余的—孔第一級開啟，從而實(shí)現(xiàn)更充分消能的目的。

5 結(jié)語

消力池是水閘消能防沖設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的一種建筑，這種設(shè)計(jì)方法及其結(jié)構(gòu)都相對比較成熟和完善。由于過閘水流受上下游落差作用，大部分勢能會轉(zhuǎn)化為動能，所以，從水力學(xué)理論入手，分析過閘水流具有的動力學(xué)特性，并使用最符合實(shí)際情況的消能模式，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。并計(jì)算消能設(shè)施各處規(guī)格，保障后續(xù)作業(yè)的穩(wěn)定性，進(jìn)而達(dá)到消能的效果。