淺談黑龍江地區(qū)水工建筑物消能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

施連功 王國(guó)升

（木蘭縣水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，黑龍江 木蘭 151900）

淺談黑龍江地區(qū)水工建筑物消能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

施連功 王國(guó)升

（木蘭縣水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，黑龍江 木蘭 151900）

從總體布置和結(jié)構(gòu)形式方面采取經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的防凍措施，取多種消能結(jié)構(gòu)形式之所長(zhǎng)，組成封閉式組合消能。這種組合消能工建于年最大凍脹量達(dá)30cm左右的凍土觀測(cè)上，經(jīng)過(guò)十年觀測(cè)證明，總體沒(méi)有凍脹變形的現(xiàn)象，效果很好。

組合式；消能建筑物；應(yīng)用

1 組合式消能結(jié)構(gòu)的基本形式

水工建筑物需要消能的主要是跌水和涵閘，因此組合式消能工主要解決以下2個(gè)問(wèn)題。

1.1 篩網(wǎng)（或篩梁）消能與井消能結(jié)合

帶跌差的閘（或跌水）在豎井上布置消力梁（或消力網(wǎng)）與井消能組成分層組合式消能，見(jiàn)圖1。實(shí)際運(yùn)用是水流在井口改變方向下落直射到消力梁（或消力網(wǎng)）上，水流經(jīng)消力梁（或消力網(wǎng)）撞擊作用消耗一部分能量，同時(shí)大量摻氣，然后細(xì)小水注落到消力井后、互相撞擊再次消能，經(jīng)梁、井雙層重復(fù)消能，效果穩(wěn)定可靠。

1.2 消力齒、消力柵和底流消能相結(jié)合

圖2所示的節(jié)制閘是將傳統(tǒng)開(kāi)敞閘變成封閉閘，或是把一般的封閉式閘洞外單設(shè)的開(kāi)敞消力池段取消，把洞稍加改造，變成既能輸水、消能又是閘身，同時(shí)在洞消力池內(nèi)加消力齒、消力柵，并與底流消能相配合組成多層次消能。雖然消能容積小，但經(jīng)多層重復(fù)消能，其效率高。

圖1 消力梁與井組合消能縱剖圖

圖2 消力齒、消力柵與底流組合消能

2 凍脹特性分析

2.1 總體布置集中、嚴(yán)緊，利于抗凍脹

組合式消能工的主要特點(diǎn)是充分利用有限消能空間做多層次重復(fù)消能，有利于抗凍脹。圖1所示梁、井綜合消能工，它和傳統(tǒng)開(kāi)敞陡坡或直跌式相比，用一個(gè)平面面積很小的豎井及臥拱代替開(kāi)敞式跌水（或閘）的進(jìn)口段、陡坡段、消力池段吉海漫段等，縱向長(zhǎng)度減少約2／3。消力梁和消力井為豎向空間分層布置，消能工平面尺寸小，受凍部位和面積小，且進(jìn)出口基礎(chǔ)在一個(gè)平面上，土質(zhì)相同，凍脹量和凍脹力均勻。圖2的封閉式組合消能工于傳統(tǒng)的洞外開(kāi)敞式消能工（開(kāi)敞式底流消能工也是如此），在總體布置上徹底取消了洞外單設(shè)的開(kāi)敞消能力池部分，使縱向長(zhǎng)度減少1／2，使陣線集中嚴(yán)緊，薄弱環(huán)節(jié)少，有利于抗凍脹。

2.2 采用抗凍脹好的結(jié)構(gòu)形式

組合式消能工都是以力學(xué)性能優(yōu)越、抗凍脹性能良好的殼體結(jié)構(gòu)為主體。①圖1的消力梁布置在進(jìn)口豎井中就充分利用了豎井圓抗凍脹優(yōu)越的特點(diǎn)，該豎井圓為圓周對(duì)稱受凍脹力，其水平凍脹力大小相等，方向相反，通過(guò)抗壓性能好的豎井圓傳遞作用而平衡；②這些封閉式組合消能工臥洞大都采用拱形梁結(jié)構(gòu)，其抗凍脹性能良好，拱上填土也成拱形受壓應(yīng)力狀態(tài)，成拱形的較堅(jiān)硬的凍土互相擠壓抵消了凍土自身產(chǎn)生的凍脹力，使拱本身直接受凍脹力的作用小。實(shí)際上拱上填土不是立即凍得很厚的，而是分層凍結(jié)的。先凍結(jié)的較堅(jiān)硬的凍土形成凍結(jié)土拱壁，抵抗了下層凍土產(chǎn)生的凍脹力，使土層層凍結(jié)，層層形成凍結(jié)土拱壁，層層抵消凍脹力。拱為雙側(cè)受水平凍脹力，其水平凍脹力大小相等，方向相反，通過(guò)抗壓性能好的拱的傳遞作用而平衡，拱側(cè)的切向凍脹力沿拱的斜曲面滑動(dòng)，活動(dòng)底板的變形作用了衰減了基底反向凍脹力。

小型水工建筑物的組合式消能工是在減少建筑物消能工尺寸，提高抗凍脹性能的情況下，盡可能利用有限消能容積或空間做到多層次重復(fù)消能，提高消能效率。組合式消能工大都以豎井消能為主體，在此基礎(chǔ)上布置消力網(wǎng)、消力梁、消力齒、消力柵等組成組合消能。工程實(shí)踐證明組合式消能工消能效率高，節(jié)省工程量，抗凍脹性能好，長(zhǎng)期運(yùn)用安全可靠，是一項(xiàng)有發(fā)展前途的消能工型式。

[1]SL23-91，渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SL211-98，水利建筑物抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

TU745.39

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