臨沂市蒙陰橡膠壩消能防沖設(shè)計分析

周玲玲

（臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276000）

蒙陰橡膠壩為充水式，橡膠壩全長307m，分為4跨，每跨長76m，中墩厚1.0m。橡膠壩底板高程為180.27m，橡膠壩正常蓄水位為180.57m，壩高2.3m。樞紐工程等別為Ⅲ等，主要建筑物橡膠壩級別為3級，次要建筑物斜坡式護岸級別為4級，臨時建筑物級別為5級。橡膠壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)和校核洪水標(biāo)準(zhǔn)均為50年一遇，50年一遇設(shè)計（校核）洪水流量為3323m3/s。由于橡膠壩運行過程中上下游水位差較大，為保護下游河床，需對橡膠壩進行消能防沖處理。

1 橡膠壩消能防沖設(shè)計

1.1 設(shè)計工況

橡膠壩在壩體溢流時水流流態(tài)復(fù)雜，工況多變，而且極易發(fā)生壩袋振動，直接影響到壩袋的安全運行[1]。因此，在進行消能防沖設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合橡膠壩的泄流運行規(guī)律，合理制定工況進行分析計算。本次設(shè)計擬選取以下3種典型工況計算橡膠壩過流能力，在此基礎(chǔ)上分析消能防沖設(shè)計[2]。

1）工況Ⅰ：當(dāng)下泄流量較小，橡膠壩全部充起時，頂部類似實用堰。此時，上游水位為正常蓄水位加溢流水深；下游水位很淺甚至無水，按下游河床計算。

2）工況Ⅱ：隨著下泄流量逐漸增加，橡膠壩在塌落過程中，壩型類似于寬頂堰。此時，上游水位維持正常蓄水位不變；下游水深逐漸升高，下游水位為下泄相應(yīng)流量對應(yīng)的下游水位。

3）工況Ⅲ：當(dāng)下泄流量較大時，橡膠壩全部塌落，袋面上全河道行洪，水流比較平穩(wěn)，流速與原河床流速相近。此時，上游水位為下泄流量對應(yīng)的下游水位加過閘水位差；下游水位為下泄相應(yīng)流量對應(yīng)的下游水位。

1.2 橡膠壩過流能力計算

橡膠壩的過流能力，按《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50979-2014）附錄A進行計算。

式中：Q為過壩流量，m3/s；B為溢流斷面的平均寬度，m；H0為計入行近流速水頭的堰頂水頭，m；m為流量系數(shù)，壩袋完全塌平時，視作寬頂堰，流量系數(shù)取0.33～0.36，壩袋充脹時，視為曲線型實用堰，流量系數(shù)取0.36～0.45；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；σ為淹沒系數(shù)。

1）壩頂溢流。橡膠壩全部充起時，壩型類似實用堰，壩頂泄流流量[3]計算見表1。根據(jù)《水工設(shè)計手冊》（第2版）第7卷，為避免壩頂溢流時壩袋振動影響壩的正常使用，壩頂溢流水深宜取0.2～0.5m，本次設(shè)計壩頂最大溢流水深取0.3m，對應(yīng)泄流流量為113m3/s。

表1 橡膠壩壩頂溢流流量計算成果表

2）橡膠壩部分塌壩。為增加安全儲備，汛期橡膠壩應(yīng)部分塌壩運行，壩型類似寬頂堰，橡膠壩過流能力見表2。結(jié)合橡膠壩的控制運行管理方式，本次設(shè)計汛期按塌壩1m運行，此時，橡膠壩泄流流量為498m3/s。

表2 橡膠壩部分塌壩計算成果表

3）壩袋全部塌落。當(dāng)下泄流量較大，橡膠壩全部塌落時，橡膠壩過流能力按寬頂堰計算，計算結(jié)果見表3。

表3 橡膠壩全部塌落計算成果表

2 消力池設(shè)計

2.1 消力池計算

1）消力池深度

式中：d為消力池深度；σ0為水躍淹沒系數(shù)，取1.05；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)，取1.0；q為單寬流量，m2/s；φ為流速系數(shù)；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；ΔZ為出池落差，m；hs′為出池河床水深，m。

2）消力池長度

式中：Lsj為消力池長度，m；Lj為水躍長度，m；Ls為消力池斜坡段投影長度，m；β為水躍長度校正系數(shù)，取0.7～0.8。

3）消力池底板厚度。消力池底板厚度一般可根據(jù)抗沖和抗浮的要求分別按經(jīng)驗公式和理論公式計算確定，并取最大值。

抗沖計算公式為：

抗浮計算公式為：

式中：t為消力池底板始端厚度，m；ΔH′為壩泄水時的上下游水位差，m；k1為消力池底板計算系數(shù)，取0.15～0.20；k2為消力池底板安全系數(shù)，取1.1～1.3；U為作用在消力池底板底面的揚壓力，kPa；W為作用在消力池底板頂面的水重，kPa；Pm為作用在消力池底板上的脈動壓力，kPa；γb為消力池底板的飽和重度，kN/m3。

2.2 消力池計算成果

根據(jù)公式（2）～（9），得到不同下泄流量條件下的消力池尺寸，計算成果見表4。從表4可以看出，消力池池深計算工況以躍后水深與下游水深差（hc″-hs）最大為控制工況，隨著橡膠壩下泄流量的增加，消力池池深的計算結(jié)果呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，池深控制工況為壩頂溢流水深0.3m，下泄流量113m3/s，此時池深計算結(jié)果為0.72m；消力池池長計算工況以躍后水深最大為控制工況，此時橡膠壩下泄流量最大，為消力池運行中可能出現(xiàn)的最大流量3323m3/s，此時消力池水平池長計算結(jié)果為11.85m；由于消力池內(nèi)設(shè)?100排水孔，大大降低了底板揚壓力，消力池底板厚度以抗沖工況控制，消力池底板厚度計算結(jié)果最大為0.48m。

表4 橡膠壩消力池計算成果表

根據(jù)表4計算結(jié)果并結(jié)合實際地形、地質(zhì)條件，消力池池深設(shè)計取1.0m，池長取值12.0m，消力池底板厚度取0.8m。

3 海漫設(shè)計

根據(jù)水工模型試驗研究資料及工程實際經(jīng)驗，若消力池設(shè)計得當(dāng)，可消殺水流全部動能的40%～70%，但其剩余能量對池后河床還可能造成沖刷，且池后單寬流量和流速還比較大，分布也不很均勻，甚至水流紊動還比較嚴(yán)重，因此緊接消力池后還需設(shè)置海漫，用于保護消力池后的河床免遭水流沖刷。

海漫長度可按下式計算：

式中：LP為海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m3/s/m；KP為海漫長度計算系數(shù)。

經(jīng)計算，橡膠壩下游海漫長度為24.74m，設(shè)計取值為25.0m。

4 防沖槽設(shè)計

下泄水流經(jīng)過海漫后，河床流速分布雖接近正常分布狀態(tài)，但在海漫末端仍有沖刷現(xiàn)象，甚至危及消力池護坦的穩(wěn)定性。因此，為保障充分的消能防沖效果，需對過壩水流繼續(xù)進行消能防沖處理，本次設(shè)計擬在海漫末端設(shè)置下游防沖槽。防沖槽尺寸根據(jù)河床沖刷深度確定，計算公式如下：

式中：dm為海漫末端河床沖刷深度，m；qm為海漫末端單寬流量，m3/s/m；[v0]為河床土質(zhì)允許不沖流速，m；hm為海漫末端河床水深，m。

海漫末端的河床土質(zhì)為礫質(zhì)粗砂，水閘的單寬流量為10.93m3/s/m，經(jīng)計算，海漫末端的計算沖刷深度為5.89m。

實際工程中，根據(jù)上式計算的沖刷深度往往偏大，本次設(shè)計基于以上理論計算結(jié)果，并參照實際工程經(jīng)驗，擬定防沖槽頂寬8.0m，底寬3.0m，深2.5m，槽內(nèi)拋填大塊亂石，頂部設(shè)0.5m厚的格賓網(wǎng)填亂石防護層。

5 結(jié)語

結(jié)合橡膠壩的控制運用方式，分析了建壩后各種工況下的橡膠壩過流能力，以不同工況下的過流流量為分界點，據(jù)此進行消力池的設(shè)計計算，并根據(jù)計算結(jié)果擬定消力池的結(jié)構(gòu)。同時，為徹底消殺過池后的水流動能，避免其對河床產(chǎn)生有害的沖刷，設(shè)計中根據(jù)理論及實際工程經(jīng)驗在消力池末端布置了一定長度的海漫和防沖槽，進一步確保了消能防沖的有效性。計算結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范及工程實際，可為今后相關(guān)工程設(shè)計和施工提供理論依據(jù)及參考價值。