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    大民濕地進水閘消能方式的選定

    2021-05-24 13:00:46楊慶華
    黑龍江水利科技 2021年4期
    關(guān)鍵詞:水躍進水閘挑流

    楊慶華

    (齊齊哈爾市水利勘測設(shè)計研究院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

    1 工程簡介

    齊齊哈爾市大民濕地位于黑龍江省齊齊哈爾市西南,距城區(qū)18km,原為嫩江天然河道,于1970年作為齊齊哈爾市污水處理用地改造為氧化塘,后經(jīng)1987年、1998年進行兩次改造擴建,利用自然凈化原理和嫩江的自凈作用,形成冬儲夏排、枯儲豐排的運行機制,成為全國最大規(guī)模的氧化塘。

    大民濕地與嫩江連通工程任務(wù)是在現(xiàn)有工程基礎(chǔ)上,通過新建進水閘、清淤河道、加固湖岸等工程措施,使大民濕地水流動起來,水質(zhì)與嫩江接近,并達到一定的景觀效果。

    大民濕地占地807 hm2,工程實施后,大民濕地水面面積681hm2,增加水面面積324 hm2,增加蓄水量332萬m3,濕地年補水量528萬m3。

    進水閘位于大民濕地圍堤3+588處,為進水涵閘,孔口尺寸為2.5m×2.5m×2(寬×高×孔數(shù))。閘中軸線與大民濕地圍堤垂直。工程布置主要由進口護岸、引渠護砌段、鋪蓋段、前閘室段、洞身段、后閘室段、消力池段和海漫段組成。

    2 進水閘消能方式

    水工建筑物消能方式主要有底流消能、挑流消能和面流消能3種形式,相應(yīng)的消能工為水躍消能、挑流鼻坎、戽斗和跌坎。

    2.1 底流消能

    底流消能設(shè)施通常為消力池,利用下泄高能急流到緩流產(chǎn)生水躍進行消能。適用于各類地基上中低水頭建筑物,對尾水變化適應(yīng)性強。底流消能優(yōu)點:水躍穩(wěn)定,安全可靠,消能效果好,下游水面波動小。缺點:消力池的底板較厚且長工程量大,增加工程造價,水頭較高時消力池的前端易產(chǎn)生空蝕。當閘下尾水深度小于躍后水深時,可采用下挖式消力池消能。

    2.2 挑流消能

    挑流消能是在建筑物末端設(shè)置挑流鼻坎,水流向下游挑射,射流在水墊內(nèi)消能,與下游緩流銜接。適用于高、中水頭地質(zhì)條件較好的建筑物消能。挑流消能的優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)省防護工程量,可降低造價,消能效果好。缺點:空中霧氣大,尾水波動大,要求下游河床抗沖能力強。當水閘承受水頭較高,且閘下河道及岸坡為堅硬巖體時,可采用挑流式消能[1]。

    2.3 面流消能

    面流消能分為戽斗面流和跌坎面流,戽斗面流的流態(tài)對尾水位的變化比較敏感,對岸坡的穩(wěn)定性要求較高,水頭高流量大的建筑物利用此種消能方式的工程不多;跌坎面流是利用設(shè)置在溢流壩末端的跌坎,把水流導至下游水流表面,在跌坎附近形成旋滾達到消能效果,適用于水頭較低的中、小型工程。跌坎面流消能的優(yōu)點:主流在表面,底部流速小,不易沖刷河床,有利于漂木、漂冰和宣泄其他漂浮物。缺點:水流銜接形式復雜多變,不易控制,下游水面波動很大,兩岸易遭沖刷。當水閘閘下游尾水深度較深、且變化較小,河床及岸坡抗沖能力較強時,可采用跌坎面流式消能[1]。

    3 進水閘消能的選定

    消能方式的選擇是十分復雜的問題,需結(jié)合工程實際特點,兼顧水力、地形、地質(zhì)及應(yīng)用條件進行綜合分析選定。

    3.1 地質(zhì)條件

    經(jīng)勘察堤身以下主要地層為第四系全新統(tǒng)湖積地層(Q4pl)、沖積地層(Q4al)以及上更新統(tǒng)沖積地層(Q3pl),巖性為泥炭質(zhì)低液限黏土、低液限黏土、級配不良細砂、級配不良粗砂以及級配不良礫等。進水閘消力池基礎(chǔ)坐落于③級配不良細砂土層之上,為砂性基礎(chǔ),抗沖刷能力差。

    3.2 水力條件

    進水閘上游20a一遇洪水位為146.94m,下游最高水位為143.97m,下游溝底高程為141.72m,進水閘上、下游水位落差較小,下游水深為2.25m,下泄高能急流易產(chǎn)生淹沒式水躍,消能效果較好。

    3.3 應(yīng)用條件

    北方平原地區(qū)水工建筑物多采用底流消能,結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、便于維修。進水閘設(shè)計流量為10m3/s,流量及上下游水頭差小便于采用常規(guī)消能方式。

    綜合以上條件分析,大民濕地與嫩江連通工程進水閘消能方式采用底流消能。

    4 進水閘底流消能計算

    進水閘根據(jù)選定的底流式消能方式進行消能計算,消力池為鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu),過水斷面為漸擴式矩形斷面。

    4.1 消力池深度按下述公式計算:

    d=σ0h″c-hs'-ΔZ

    (1)

    (2)

    (3)

    (4)

    式中:d為消力池深度,m;σ0為水躍淹沒系數(shù),采用1.05;g為重力加速度,采用9.81,m/s2;hc"為躍后水深,m;hc為收縮水深,m;α為水流動能校正系數(shù);可采用1.0;q為過閘單寬流量,m2/s;b1為消力池首端寬度,m;b2為消力池末端寬度,m;T0為由消力池底板頂面算起的總勢能,m;△Z為出池落差,m;hs'為出池河床水深,m;φ為孔流流速系數(shù),采用0.95。

    4.2 消力池長度

    可按下式計算:

    Lsj=Ls+βLj

    (5)

    Lj=6.9(h〃c-hc)

    (6)

    式中:Lsj為消力池長度,m;Ls為消力池斜坡段水平投影長度,m;β為水躍長度校正系數(shù),采用0.8;Lj為水躍長度,m。

    表1 進水閘消能計算成果

    大民濕地與嫩江連通工程進水閘消能方式采用底流式消能,消力池取池深1.0m,池長10.0m,建成后消能效果良好,下游未產(chǎn)生沖刷破壞[2]。

    4 結(jié) 語

    建筑物消能方式的合理選擇,對于工程布置、工程量、投資、工期、運行管理、維修養(yǎng)護等方面影響較大,根據(jù)工程地質(zhì)、地形、水文、水力等條件結(jié)合消能方式的適用特點,遵循安全可靠經(jīng)濟合理的原則,從而優(yōu)選出合理的消能工布置。

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