底流式消能設(shè)計淺析及工程應(yīng)用

李育華，袁 靜

(江寧區(qū)水務(wù)局，南京 211112)

0 引 言

水閘下游的消能防沖設(shè)計，與水閘結(jié)構(gòu)自身、閘下河道堤防的穩(wěn)定性有很大的關(guān)系[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國水閘的安全普查中，水閘出水部位的消能工設(shè)計中約有42%在水閘運(yùn)行過程中，存在嚴(yán)重沖壞問題[2]。通過以往水閘運(yùn)行過程及消能措施破壞程度研究分析，消能措施的消能效果，不僅與水閘下泄設(shè)計洪水工況有關(guān)，還與施工條件及水閘運(yùn)行過程密不可分[3]。

姜林閘地處趙村水庫溢洪河末端，從地形上來說，正處在山丘區(qū)向圩區(qū)過度的山圩混合區(qū)，地形在閘址處有一突降，落差約為3m。從水閘本身來說，這樣的位置利于降低挖深、節(jié)省造價，也造成水閘需解決一定落差帶來的消能問題。文章基于姜林閘水閘存在的消能問題，針對消能工設(shè)計條件、消力池、海漫等設(shè)計進(jìn)行探討，以期提出適合本工程的消能方式。

1 水閘消能工設(shè)計注意事項(xiàng)

1)鑒于下游潮位及上游洪水流量是隨時間季節(jié)不斷變化，相關(guān)過閘水流的流量、下游水位、下泄流速均為變量，設(shè)計者在設(shè)計水閘時需考慮此變化，進(jìn)行關(guān)鍵過程分析；

2)當(dāng)閘下水位較低時，需對下游水位繪制變化曲線，進(jìn)行水位跟蹤分析；在多級消力池設(shè)計中，需綜合考慮閘門的啟閉順序、開度等因素；

3)水閘設(shè)計流量較大，流速較急時，需綜合設(shè)計一些輔助消能工，促使水躍的發(fā)生。

2 水閘消能工設(shè)計

2.1 消力池挖深設(shè)計

常見底流式消力池的挖深設(shè)計方法有綜合式計算方法及動量方程方法。綜合式消力池護(hù)坦末端消能坎高度及挖深的計算簡圖如圖1所示。計算流程如下：

1)首先假設(shè)消力池會形成二次水躍，可得相應(yīng)躍后水深為h(下游水深) 。進(jìn)而反推計算出躍前水深；

2)通過躍前及躍后水深值，可求得消力坎后的躍前總水頭E，進(jìn)而推算出消力坎頂處總水頭，可計算得出坎高C；

3)再通過迭代計算動量方程，求解得到消力池深值。

采用動量方程求解時，公式中采用的是靜水壓，未考慮水流在躍過護(hù)坦末端消能坎時，水流劇烈的紊動會產(chǎn)生動水壓力，此壓力遠(yuǎn)大于計算采用的靜水壓，因此，該方法計算所得池深比采用堰流計算公式的計算結(jié)果要偏小一些。

圖1 底流式消力池挖深設(shè)計綜合式計算簡圖

2.2 海漫設(shè)計

海漫的設(shè)計中，最主要的就是材料的選取，常用材料有塊石或混凝土。同時要求，海漫結(jié)構(gòu)表面具有一定程度的抗沖性、粗糙度、柔韌性及透水性。

1)海漫的結(jié)構(gòu)型式：

海漫的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)具有消耗水流的余能的作用，并保證結(jié)構(gòu)自身安全穩(wěn)定，可以達(dá)到對河床的保護(hù)目的；同時在一定程度上，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)具有適應(yīng)河床變形的柔韌性。總結(jié)常見海漫結(jié)構(gòu)型式如表1所示。

表1 常見海漫特性比較表

2)海漫布置型式：

為保證下泄水流通暢，海漫的順?biāo)髌露炔粦?yīng)陡于1 ∶10。干砌石海漫還需注意，當(dāng)用于大、中型水閘中，還需用混凝土或漿砌石格埂，以框格型式分塊布置，格埂的間距可為10-15 m，橫斷面尺寸常用40 cm ×60 cm。

3)海漫長度計算：

通過海漫長度的計算公式，可知消能后剩余能量的大小以及河床土質(zhì)的抗沖能力是計算的關(guān)鍵因素。海漫長度計算公式為：

Lp=kqΔH(原南京水科所提出經(jīng)驗(yàn)公式)

(1)

該公式適用于消能擴(kuò)散良好情況下，即q ΔH = 1-9。

式中：ΔH為閘孔泄水時的上下游水位差，m；q為消力池末端的單寬流量，m3/( s·m) ；k為海漫長度計算系數(shù)，取值范圍詳見表2。

表2 海漫長度計算系數(shù)取值范圍表

計算過程中，應(yīng)采用各種水位流量組合的試算方法，取計算結(jié)果中的最大值。同時還應(yīng)參考海漫末端保護(hù)措施、允許局部沖刷坑深度、地層變化等因素，最終綜合考慮確定海漫的長度。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

姜林閘位于趙村水庫溢洪河下游，地處南京市江寧區(qū)橫溪街道姜林村，系中型水庫趙村水庫溢洪河補(bǔ)水線配套工程。主要功能：①抗旱：旱季關(guān)閘蓄水，將上游河道水位維持在高程▽11.70m，以解決橫溪鎮(zhèn)許呈村、橫山村的人畜生活用水及大部分丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水的問題；②蓄水：平時通過閘門的合理開度，將上游河道水位維持在高程▽9.00m；③泄洪：汛期開閘宣泄洪水，排泄上游趙村水庫下泄流量、以及趙村水庫溢洪河沿岸山丘區(qū)與圩區(qū)的來水，縮短防洪路線，減少或免除洪災(zāi)損失。

工程建于1987年10月，1988年6月竣工并投入使用。

圖2 姜林閘地理位置圖

3.2 消能防沖布置

水閘的消能防沖布置應(yīng)根據(jù)閘基地質(zhì)情況、水力條件以及控制運(yùn)用方式等因素，進(jìn)行綜合分析確定。

該閘的運(yùn)行，根據(jù)閘上來水分別采用全開泄水和閘坎頂溢流的方式。

根據(jù)前文分析，姜林閘采用底流式消能、下挖式消力池，消力池后設(shè)置海漫和防沖槽，海漫結(jié)構(gòu)采用生態(tài)石籠，防沖槽結(jié)構(gòu)為拋石結(jié)構(gòu)。

3.3 水力計算

3.3.1 消力池設(shè)計

1)消力池深度。

根據(jù)根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》附錄B，按上游水位11.70m，下游水位9.00m工況，計算結(jié)果詳見表3。

表3 消能計算結(jié)果表

經(jīng)計算下游側(cè)不需設(shè)消力池，但從安全運(yùn)行角度考慮，仍設(shè)深1.0m的構(gòu)造消力池。

2)消力池長度。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265-2001)，消力池長度計算結(jié)果詳見表4。

表4 消力池長度計算結(jié)果表

設(shè)計中，消力池長度取值為33.5m。

3)消力池底板厚度。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265-2001)，消力池底板厚度計算結(jié)果詳見表5。

表5 消力池底板厚度計算結(jié)果表

設(shè)計中，消力池底板厚度取值為0.80m。

綜上，消力池各部位設(shè)計平剖面圖詳見圖3、4。

圖3消力池剖面圖

圖4 消力池平面圖

3.3.2 海漫設(shè)計

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，海漫長度按下式計算：

(2)

式中：Lp海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m2/s，取qs=6.6m2/s；Ks為海漫長度計算系數(shù)，取Ks=9。

經(jīng)計算，海漫長度Lp=29.55m。根據(jù)布置，下游側(cè)海漫長度為30.0m，滿足要求。

3.4 消能效果

姜林閘主體工程已于2016年汛前完工，工程經(jīng)歷了2016年秦淮河流域超歷史暴雨洪水的考驗(yàn)，消能效果明顯，對水閘及下游河道起到了保護(hù)作用。消能設(shè)計現(xiàn)狀詳見圖5。

圖5 姜林閘消能工完建現(xiàn)狀示意圖

4 結(jié) 語

1)在水閘的消能設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮過閘流量、上下游水位、閘門啟閉的組合過程等控制條件，同時還需做適時跟進(jìn)的分析工作，保證消能設(shè)計的安全可靠。

2)底流式的消能設(shè)計，水流在流出消力池之后仍存在劇烈紊動現(xiàn)象，此時底部流速較大，對河床的沖刷較大。除非河床為抗沖較強(qiáng)的基巖以外，其他河道仍需在護(hù)坦下游加設(shè)海漫，進(jìn)一步消減水流的多余能量，調(diào)整流速分布，使水流均勻地擴(kuò)散。

3)通過理論分析及計算，發(fā)現(xiàn)采用動量方程迭代計算的消力池池深，較采用堰流計算公式的計算結(jié)果要偏小一些。建議消力池挖深的計算，參考《水力學(xué)》(清華大學(xué))中用能量方程計算方法。

4)海漫的布置，除下游河床局部沖刷不大時，可采用水平海漫，大多數(shù)采用傾斜海漫，以減小沖刷坑底與海漫末端的高差，有利于海漫的安全，并可減少海漫末端的防沖加固工程量。

[1]康立榮，徐文俊，吝江峰．江蘇大中型病險水閘概況及主要加固措施探討[J]．水利建設(shè)與管理，2014 (03):56-59．

[2]水利部水利建設(shè)與管理總站，黃河水利科學(xué)研究院，河南黃河勘測設(shè)計研究院．病險水閘除險加固技術(shù)指南[M]．鄭州:黃河水利出版社，2009．

[3]蔡新．水利工程安全隱患與病害特點(diǎn)[J]．小水電，2004(06):35-37．