龍穴攔河閘底流消能工設(shè)計分析

鄧水明

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610)

消能防沖設(shè)施的安排，需結(jié)合項目實際，進行技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。在濱海和平原地區(qū)，水閘通常建在軟土地基上，雖然承受水頭不高，但下游河床的抗沖能力較低，在工程應(yīng)用上主要采用底流式消能[1-2]。底流式消能的3種主要型式為下挖式消力池、突檻式消力池和綜合式消力池，作為常用的低水頭擋水建筑物，許多研究人員對水閘的消能特性做了大量的研究，在工程方面積累了不少經(jīng)驗；黃坤慧[3]分析其消能工設(shè)計的相關(guān)計算方法，以潮州供水樞紐水閘為例；李育華[4]以工程實例為依據(jù)，對措施進行分析，提高能源消納效果；麥棟玲[5]和宮鵬杰[6]在不同開度下，通過物理模型試驗，對水閘的運行流態(tài)和水流量的銜接進行分析。

本文以龍穴攔河水閘的消能特性為基礎(chǔ)，在相同設(shè)計條件下對龍穴攔河閘底流消能工的型式進行分析，并提出適用于龍穴攔河閘底流消能的主要型式。

1 設(shè)計條件

在運行過程中，水閘需要有可靠的消能防沖設(shè)施，才能在可能出現(xiàn)的各種水力條件下，滿足動能消散和水流均勻擴散的要求，以及與下游河道良好的銜接。消能工的設(shè)計需結(jié)合水力條件、閘基地質(zhì)情況和閘門控制運用方式等因素，綜合分析確定閘下水位變化對消能防沖設(shè)施的不利影響，并考慮水閘建成后上、下游河床可能出現(xiàn)沖刷下切或淤積，以及閘下水位變化等情況[7]在選擇單寬設(shè)計流量時，需綜合考慮下游河床地質(zhì)條件、閘室總寬度與河道寬度之比、下游水深、上下水位之差、閘門結(jié)構(gòu)特點及消能防沖等因素，綜合考慮閘室總寬度與河道寬度之比[8-9]。通常，池深的計算流量不一定是為大流量，躍后水深與出池河床水深之差最大時的相應(yīng)流量為計算流量；消力池的長度以最大流量通過為設(shè)計流量。

控制消能設(shè)計的水力條件因泄流特性不同、閘型不同而不盡相同。運用過程中可能出現(xiàn)的各種不利條件和操作方法，都需要考慮[10]。對于攔河閘，在宣泄不同流量時，保持閘上最高擋水位不變，選擇下游最不利的水位對應(yīng)工況作為消能設(shè)計的控制工況。

2 消能防沖計算

在設(shè)計時，需對可能出現(xiàn)的最不利水位組合及各種水力條件進行計算，以確定底流消能工的體型和尺寸。下挖式消力池計算示意圖如圖1所示，消力池的控制尺寸根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》[11]推薦的公式計算：

圖1 下挖式消力池計算示意圖

(1)

(2)

(3)

(4)

Lsj=Ls+β·Lj

(5)

(6)

式中，Lsj—池長，m；Ls—斜坡段水平投影長度，m；β—校正系數(shù)；Lj—水躍躍長，m。

(7)

(8)

式中，t—首端厚度，m；ΔH—上、下游水位差，m；k1—計算系數(shù)，取0.15；k2—安全系數(shù)，取1.1；U—揚壓力，kPa；W—水重，kPa；Pm—脈動壓力，kPa；γb—飽和重度，kN/m3。

突檻式消力池計算示意圖如圖2所示，消力池檻高、長度按下式計算：

圖2 突檻式消力池計算示意圖

c=σ0h″c-H1

(9)

綜合式消力池計算示意圖如圖3所示，消力池檻高、長度按下式計算：

(10)

圖3 綜合式消力池計算示意圖

3 實例

龍穴攔河閘位于中山市南朗鎮(zhèn)雞頭角涌涌口處，臨近橫門水道，是南朗鎮(zhèn)豐埠湖聯(lián)圍圍內(nèi)的水利工程。攔河閘正常設(shè)計流量為28m3/s，閘孔寬度為3m，閘上游水深為3.3m，閘門后的閘室段長為4m；閘上游與下游河底高差為4m；閘后接下游河道，采用1∶4的陡坡銜接，陡坡段為等寬矩形斷面，底寬3m；閘室及陡坡段混凝土的糙率為0.014；河道底寬為8m，比降為1/7737，糙率為0.025，邊坡系數(shù)為2。

進行閘門逐漸開啟泄流過程中各種流量時的下挖式、突檻式、綜合式消力池計算時，計算控制條件為在閘門開啟過程中，閘上游水深保持3.3m不變，不計行近流速，下游河道水深隨各種下泄流量改變。消力池為等寬3.0m。計算采用10個流量級，最小流量為2.8m3/s，其余每個流量級按2.8m3/s遞增，最大流量為28m3/s。攔河閘消能計算基本資料見表1。

表1 攔河閘消能計算基本資料

龍穴攔河閘下挖式消力池計算示意圖如圖4所示。消能計算成果見表2。

表2 下挖式消力池消能計算成果

圖4 龍穴攔河閘下挖式消力池計算示意圖

由表2可知，按確定設(shè)計流量的原則：躍后水深與下游水深之差的最大值所對應(yīng)的設(shè)計流量為28m3/s，該流量對應(yīng)的池深為1.378m；通過最大流量的池長為18.98m、池底板厚為0.885m。下挖式消力池所需混凝土為112.62m3。

龍穴攔河閘突檻式消力池計算示意圖如圖5所示。消能計算成果見表3。

表3 突檻式消力池消能計算成果

圖5 龍穴攔河閘突檻式消力池計算示意圖

從表3可知，按確定設(shè)計流量的原則：躍后水深與下游水深之差的最大值所對應(yīng)的設(shè)計流量為28m3/s，該流量對應(yīng)的消力坎高為1.685m；通過最大流量時消能工長度為17.23m，池底板厚度為0.885m。突檻式消力池所需混凝土為100.74m3。

龍穴攔河閘綜合式消力池計算示意圖如圖6所示。消能計算成果見表4。

表4 綜合式消力池消能計算成果

圖6 龍穴攔河閘綜合式消力池計算示意圖

從表4可知，按照確定設(shè)計流量的原則：躍后水深與下游水深之差的最大值所對應(yīng)的設(shè)計流量為28m3/s，該流量對應(yīng)的坎高為0.932m、對應(yīng)的池深為0.922m；通過最大流量時對應(yīng)的消能工長度為18.44m。池底板厚度為0.885m。綜合式消力池所需混凝土為110.64m3。

4 結(jié)語

基于龍穴攔河閘的工程特點，對龍穴攔河閘底流消能工的工程設(shè)計條件、消能防沖計算進行分析，得出下挖式消力池、突檻式消力池、綜合式消力池在不同閘門開度下的特征尺寸。通過分析可知，最大流量為控制消能工長度的設(shè)計流量；躍后水深與下游河床水深之差最大時對應(yīng)的流量為控制池深的設(shè)計流量；在下游河床水深與躍后水深相差不大的情況，選擇下挖式消力池作為消能工更為經(jīng)濟合理。對于類似項目的設(shè)計，從消能工的經(jīng)濟性、合理性、可靠性等方面考慮，這種分析方法具有較大的參考價值。