柔性護(hù)坦與孔口及篩網(wǎng)結(jié)合消能功在攔河閘的應(yīng)用

田春玲，張麗偉

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春130021)

消能功在水利工程中是一項(xiàng)必不可少的建筑物，其效果和投資也比較顯著。因此在工程上采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，以較少的投資，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已成為設(shè)計(jì)者首要考慮的課題。尤其是因消能不充分導(dǎo)致工程破壞占已破壞工程量的61%左右。因此采用一種新型的消能功，不僅可以提高消能率，而且可以節(jié)省工程費(fèi)用。長(zhǎng)春市凈月鄉(xiāng)曙光攔河閘就是利用了一種新型消能功—柔性護(hù)坦與孔口及篩網(wǎng)相結(jié)合，取得了較好的效果。

1 消能功型式

柔性護(hù)坦與孔口及篩網(wǎng)相結(jié)合，使水流發(fā)生了劇烈的摻氣、擴(kuò)散、內(nèi)外摩擦和沖擊而消耗大部分能量。曙光攔河壩的結(jié)構(gòu)為堤頂溢流的滾水壩，溢流壩面采用柔性護(hù)坦—楔形塊護(hù)砌、壩體填料為透水料，這不僅適應(yīng)基礎(chǔ)凍脹和不均勻深陷引起的變形，而且還因自然形成的多級(jí)梯形有利于底部消能，減少?zèng)_刷。在靠近左岸9.0m處設(shè)一泄水孔，泄水孔出口采用篩網(wǎng)消能功，使高速水流流經(jīng)篩網(wǎng)，降低了出口水流流速，縮短池長(zhǎng)，使主流不直接接觸河床，達(dá)到了消能的目的。

曙光滾水壩壩頂高程根據(jù)上游灌溉用水要求確定為97.5m，設(shè)計(jì)最大流量為50m3/s，相應(yīng)的上游水位為98.845m，挑角θ=0°，壩長(zhǎng)20m，壩坡1∶5。河床面高程為94.0m，壩高3.5m。泄水孔截面尺寸為1.5×1.0m2。進(jìn)口底高程為95.853m。篩網(wǎng)為多孔的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與泄水孔形成剛性整體結(jié)構(gòu)。護(hù)砌出口段長(zhǎng)8.40m，如采用底流消力池，池長(zhǎng)15m，海漫段長(zhǎng)20m。經(jīng)比較可節(jié)省工程量64%。

壩后消能采用面流消能。柔性護(hù)坦與孔口及篩網(wǎng)消能功相結(jié)合，水流流態(tài)非常復(fù)雜，從水流流態(tài)觀察，水流分成3股，自左右溢流壩面溢流和泄水孔出流，經(jīng)篩網(wǎng)消能功水股混摻、碰撞，水流通過(guò)篩網(wǎng)與池內(nèi)水墊對(duì)沖而后擴(kuò)散，平穩(wěn)地出池，未見回流及不利液態(tài)。從運(yùn)行上看，其防護(hù)段未見沖刷跡象。

2 面流消能計(jì)算

根據(jù)該工程要求，滾水壩上游水位在97.75～98.845m（相應(yīng)流量為 5.25～50m3/s）間變化時(shí)均發(fā)生面流銜接。

2.1 壩長(zhǎng)的確定

壩長(zhǎng)按平槽泄量50m3/s，來(lái)確定：

式中 Q—攔河壩泄流量，50m3/s；σs—淹沒(méi)系數(shù)，0.931；m—流量系數(shù)，0.367；H—堰上水頭，1.345。

2.2 坎高a的確定

（1）在各級(jí)流量下最小坎臺(tái)高度

式中 Fr1—坎上弗勞德數(shù)；v—坎上流速；h1—坎上水深；η—η=-0.4θ+8.4，θ為挑角，取 θ=0°。

（2）形成自由面流的界限坎高

式中hokp—臨界水頭增值，可按下式計(jì)算；h1—坎上水深；ht—下游水深；

其中 α1，αt為動(dòng)量修正系數(shù)，取 1.0；t2=a+h1，a為坎高。

（3）形成淹沒(méi)面流的界限坎高

式中符號(hào)意義同前，但在計(jì)算a4時(shí)A值中t2=a＋hokp。

經(jīng)計(jì)算求得：a1=0.625m、a4=0.8m。

按淹沒(méi)面流區(qū)間設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足：amin＜a≤0.95a4，即 0.52＜a≤0.95×0.8=0.76選取 a=0.55m。

2.3 液態(tài)復(fù)核

當(dāng)按淹沒(méi)面流區(qū)間設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足：

式中 ht4—第四臨界流態(tài)（產(chǎn)生淹沒(méi)面流）時(shí)臨界水深值；h″

t5—第五臨界流態(tài)（產(chǎn)生回復(fù)底流）時(shí)界限水深；hk—臨界水深；a—坎高，0.55m；p—壩高，3.5m。

經(jīng)計(jì)算各級(jí)流量下計(jì)算結(jié)果均滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）柔性護(hù)坦與孔口及篩網(wǎng)相結(jié)合，使水流在離開建筑物時(shí)，已發(fā)生劇烈的摻氣、擴(kuò)散、內(nèi)外摩擦和沖擊，而消耗大部分能量，因而可縮短池長(zhǎng)及消除波浪，節(jié)省工程費(fèi)用，且結(jié)構(gòu)安全可行。

（2）孔口及篩網(wǎng)作為輔助消能功，尚未有確切的計(jì)算理論，因此理論上還需要進(jìn)一步完善。

[1]李煒.水力計(jì)算手冊(cè)[S].北京:中國(guó)水利水電出版社.