北溪水閘樞紐下游消能防沖設(shè)施除險(xiǎn)加固研究

林建洪

（福建省九龍江北溪管理局，福建龍海 363107）

1 概述

北溪水閘樞紐位于九龍江北溪下游郭洲頭，由南、北港攔河閘，南、北港船閘和中干渠進(jìn)水閘、節(jié)制閘組成，工程原設(shè)計(jì)為3級(jí)建筑物，于1980年建成投入運(yùn)行。水閘樞紐下游為感潮河段，閘基地層為濱海相和河流交錯(cuò)沉積的地層結(jié)構(gòu)，從閘室底板自上而下分布有厚度不均的中粗砂、蠣殼雜淤泥、淤泥質(zhì)砂、蠣殼雜淤泥質(zhì)砂、軟粘土、砂壤土雜卵石等地層。工程采用井柱樁或連續(xù)底板基礎(chǔ)。1999年水閘進(jìn)行安全檢測(cè)與評(píng)估，評(píng)定為3類工程，需經(jīng)全面除險(xiǎn)加固才能正常使用。檢測(cè)結(jié)果認(rèn)為：北溪水閘消能防沖設(shè)施雖然經(jīng)過(guò)多次加固處理，但閘下最低水位已由建閘時(shí)-0.24 m降至-1.59 m，并有繼續(xù)下降趨勢(shì)，消能防沖設(shè)施未能充分發(fā)揮作用，出現(xiàn)不同程度沖刷破壞。水力學(xué)復(fù)核計(jì)算及水工模型試驗(yàn)均表明，下游水位降低后，出池水流與海漫水流不能良好銜接，水流在海漫和防沖槽段發(fā)生二次水躍，造成海漫、防沖槽及下游河床沖刷。此外，消力池池深也略顯不足、護(hù)坦板厚度不夠且材料整體性差，消能防沖設(shè)施難以滿足要求。

2 消能防沖設(shè)施復(fù)核

由于下游水位降低，使原有的設(shè)計(jì)條件發(fā)生了改變，現(xiàn)采用理論方法復(fù)核原消能防沖設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸是否滿足各運(yùn)行工況要求（本文僅以南港水閘為例）。

2.1 計(jì)算公式

2.1.1 消力池計(jì)算

1）消力池深度計(jì)算：

式中：d——消力池深度，m；σ0——水躍淹沒(méi)系數(shù)，采用1.05；hc″——躍后水深，m；hc——收縮水深，m；α——水流動(dòng)能校正系數(shù)，采用1.05；q——過(guò)閘單寬流量，m3/(s·m)；b1——消力池首端寬度，m；b2——消力池末端寬度，m；T0——由消力池底板頂面算起的總勢(shì)能，m；△Z——出池落差，m；hs′——出池河床深度，m。

2）消力池長(zhǎng)度計(jì)算：

式中：Lsj——消力池長(zhǎng)度，m；Ls——消力池斜段水平投影長(zhǎng)度，m；β——水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，采用0.8；Lj——水躍長(zhǎng)度，m。

3）消力池底板厚度計(jì)算：抗沖厚度：

抗浮厚度：

式中：t——消力池底板始端厚度，m；△H′——閘孔泄水時(shí)的上下游水位差，m；k1——消力池底板計(jì)算系數(shù)，采用0.20；k2——消力池底板安全系數(shù)，采用1.1；U——作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力,kPa；W——作用在消力池底板頂面的水重，kPa；Pm——作用在消力池底板上的脈動(dòng)壓力，kPa；rb——消力池底板的飽和重度，kN/m3。

消力池末端厚度，可采用t/2，但不宜小于0.5 m。

2.1.2 海漫長(zhǎng)度計(jì)算

式中：dm——海漫末端河床沖刷深度，m；qm——海漫末端單寬流量，m2/s；[v0]——河床土質(zhì)允許不沖流速，m/s，采用[v0]=0.5～0.7 m/s；hm——海漫末端河床水深，m。

2.2 復(fù)核計(jì)算條件

考慮閘下低潮水位泄流情況，分別選用正常蓄水位（閘門(mén)不同開(kāi)啟度）、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位等工況進(jìn)行復(fù)核。

對(duì)于上游正常蓄水位運(yùn)行情況，下游水位采用前一級(jí)開(kāi)度泄流量的下游水位，求出躍后水深與下游水深之差值最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的閘門(mén)開(kāi)度作為控制工況，經(jīng)計(jì)算取閘門(mén)開(kāi)啟度0.2時(shí)作為控制工況計(jì)算。南、港閘消能防沖復(fù)核計(jì)算工況見(jiàn)表1。

表1南港閘消能防沖復(fù)核計(jì)算工況表(受下游最低潮水位影響)

式中：LP——海漫長(zhǎng)度，m；qs——消力池末端單寬流量，m2/s；ks——海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)，采用ks=10。

2.1.3 河床沖刷深度計(jì)算

計(jì)算工況 泄流方式上游水位/m下游水位/m單寬流量/m3·（s·m)-1 出流型式正常蓄水位1 先啟孔(5～11號(hào))初始泄流，開(kāi)啟高度0.2 m 4.80 -1.59 1.33 閘孔自由出流正常蓄水位2 先啟孔全開(kāi)下游水位穩(wěn)定后，后啟孔開(kāi)啟0.2 m 4.80 -0.94 1.33 閘孔自由出流設(shè)計(jì)洪水位 閘門(mén)全開(kāi) 7.58 7.36 30.90 堰頂溢流校核洪水位 閘門(mén)全開(kāi) 8.24 7.93 38.10 堰頂溢流

2.3 復(fù)核成果及結(jié)論

復(fù)核計(jì)算成果（見(jiàn)表2）表明：

1）上游為正常蓄水位4.8 m，閘門(mén)小開(kāi)度情況下，海漫實(shí)際長(zhǎng)度能滿足計(jì)算要求，但消力池深有所不足，水流在池后發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍；當(dāng)上游出現(xiàn)設(shè)計(jì)洪水，閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，南、北港閘消能防沖設(shè)施規(guī)模略顯不足；原消力池底板采用漿砌石，無(wú)排水設(shè)施，其抗浮厚度不夠。

經(jīng)分析，原有消力池破壞可能是由于消力池底板抗浮穩(wěn)定不滿足要求，加之防滲設(shè)施失效，底板與閘基土之間受滲流作用可能出現(xiàn)接觸沖刷，從而導(dǎo)致基土流失，底板出現(xiàn)塌陷而損壞。此外，護(hù)坦板的破壞可能還與其采用材料整體性較差有關(guān)。

2）下游海漫及防沖槽破壞可能是由于閘下河床下切，閘下水位下降，使消力池后出現(xiàn)急流流態(tài)或遠(yuǎn)驅(qū)水躍，造成海漫、防沖槽與閘下河床受水流沖刷破壞；此外，由于閘下河床下切，防沖槽后河床水深大于海漫水深，當(dāng)海漫出現(xiàn)急流，而下游河床出現(xiàn)緩流時(shí)，在防沖槽附近發(fā)生二次水躍，導(dǎo)致防沖槽及下游河床損壞。

根據(jù)復(fù)核成果及上述分析，原消能防沖設(shè)施難以滿足現(xiàn)有水位條件要求，消能效果不能充分發(fā)揮，需對(duì)消能防沖設(shè)施進(jìn)行全面加固。

3 消能防沖設(shè)施加固方案

3.1 加固設(shè)計(jì)原則

1）基本維持原閘室調(diào)度順序，即：閘門(mén)盡量保持分級(jí)、同高啟閉，從中間孔至兩側(cè)閘孔依次對(duì)稱開(kāi)啟，由兩側(cè)閘孔向中間依次對(duì)稱關(guān)閉閘門(mén)；閘孔運(yùn)用順序?yàn)槟细巯葐⒖?、北港先啟孔、南港后啟孔、北港后啟孔，在全部閘門(mén)未處于同一級(jí)開(kāi)度時(shí)，不得再提高一級(jí)閘門(mén)開(kāi)度。

2）消能設(shè)施在各種的水力條件下，都能滿足消散動(dòng)能與均勻擴(kuò)散水流的要求，且盡可能與下游河道良好銜接。

3）保證加固的技術(shù)可靠、方案可行、投資節(jié)省、運(yùn)行管理靈活，同時(shí)消能防沖設(shè)施的加固不應(yīng)對(duì)閘室穩(wěn)定造成危害。

3.2 消能防沖設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)采用水力學(xué)計(jì)算與水工模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，其中水力學(xué)計(jì)算公式采用SL265-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(附錄B)中規(guī)定進(jìn)行。

影響消力池水力條件的因素很多，情況比較復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，控制消力池的主要影響因素有水閘的上下游水位差、過(guò)閘單寬流量、下游水深、閘門(mén)開(kāi)啟程序、開(kāi)啟孔數(shù)、開(kāi)啟高度等。此次消力池設(shè)計(jì)中依次考慮了設(shè)計(jì)選用的上、下水位，過(guò)閘單寬流量，閘門(mén)的初始開(kāi)啟高度、開(kāi)啟孔數(shù)以及開(kāi)啟級(jí)差等各種水力條件，從中找出控制消力池池深、池長(zhǎng)、底板厚度的最不利的水位組合進(jìn)行計(jì)算。

表2 南港閘消能防沖復(fù)核計(jì)算成果表

3.3 消能防沖設(shè)計(jì)水位及流量

1）正常蓄水位情況：上游水位4.8 m；由于閘下水位受下游潮位影響，為變動(dòng)水位，因此計(jì)算時(shí)主要考慮閘下低潮水位泄流情況。

2）設(shè)計(jì)洪水位情況：上游水位7.58 m；下游水位7.36，Q=10 300 m3/s。

3）校核洪水位情況：上游水位8.24 m；下游水位7.93，Q=12 700 m3/s。

3.4 南港閘消能防沖設(shè)施加固研究

3.4.1 閘門(mén)開(kāi)啟方式擬定

1）閘門(mén)初始開(kāi)啟高度選擇

采用上、下游水位差最大(上游正常蓄水位4.80 m，下游最低水位-1.59 m)開(kāi)閘泄水的工況作為計(jì)算工況。初擬閘門(mén)初始開(kāi)度為0.2，0.3，0.4 m，單寬流量按瞬時(shí)流量計(jì)算。計(jì)算成果表明，隨著閘門(mén)初始開(kāi)度的增大，泄量增大，所需消力池池深及池長(zhǎng)也隨之增加。而消力池底板高程降低將導(dǎo)致消力池中流速、脈動(dòng)壓力及底板揚(yáng)壓力增大，消力池工程量的增加；此外，消力池與閘底板高差過(guò)大，很可能對(duì)閘室穩(wěn)定造成不利影響。因此本階段擬定初始開(kāi)度為0.2 m。

2）先、后啟孔孔數(shù)及閘門(mén)開(kāi)啟級(jí)差的確定

消力池先啟孔孔數(shù)對(duì)后啟孔池深有一定影響，先啟孔孔數(shù)過(guò)少，會(huì)造成后啟孔池深增加，先后啟孔消力池底高程間差異不大；先啟孔孔數(shù)過(guò)多，會(huì)增加工程量。經(jīng)試算，從工程量及水位銜接等方面綜合考慮，仍維持原先啟孔數(shù)7孔不變。

閘門(mén)開(kāi)啟級(jí)差對(duì)消力池設(shè)計(jì)也有一定影響，開(kāi)啟級(jí)差過(guò)大，會(huì)增加消能工工程量；級(jí)差過(guò)小，又使運(yùn)行管理復(fù)雜。由于下游水位較低，在閘門(mén)小開(kāi)度情況下，消力池運(yùn)行條件較差。初步確定當(dāng)閘門(mén)開(kāi)啟度大于1.0 m時(shí)，閘門(mén)開(kāi)啟級(jí)差為0.5 m；著重研究閘門(mén)小開(kāi)度時(shí)的開(kāi)度級(jí)，對(duì)每級(jí)提升高度0.2，0.3，0.4，0.5 m等4種開(kāi)啟級(jí)差方式分別進(jìn)行計(jì)算，下游水位采用前一級(jí)開(kāi)度泄流量的下游水位，單寬流量按瞬時(shí)流量計(jì)算。后啟孔在先啟孔保持一定的泄流量，閘下形成一定的水位后再啟用。

計(jì)算成果表明：閘門(mén)小開(kāi)度時(shí)，開(kāi)度級(jí)差若大于0.5 m，則消力池池深須增大，消力池底板厚度須加厚，既增加了工程量，又不利于消力池及閘室穩(wěn)定。因此閘門(mén)在小開(kāi)度時(shí)，開(kāi)啟級(jí)差不宜大于0.4 m，消力池的尺寸按此開(kāi)啟方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。閘門(mén)最終開(kāi)啟方式須根據(jù)水工整體模型試驗(yàn)及閘門(mén)試運(yùn)行情況，在滿足消能前提下選定，使閘門(mén)的啟閉操縱更加靈活方便。

3.4.2 消力池加固方案

1）布置方案比較

計(jì)算分析表明：上游正常蓄水位、下游最低潮水位時(shí)，水閘小流量初始泄流（開(kāi)啟度e=0.2 m）時(shí)，躍后水深與下游水深之差最大，以此情況為消力池深度的控制工況。在閘門(mén)開(kāi)啟高度由2.0 m開(kāi)啟至2.5 m的瞬時(shí)，躍后水深與躍前水深之差有最大值，以此情況作為消力池長(zhǎng)度的控制工況，但是，此工況下水躍淹沒(méi)度較大，所需消力池長(zhǎng)度較計(jì)算長(zhǎng)度短。

消力池加固分別初步考慮了以下兩個(gè)方案。

方案一(一級(jí)池)：根據(jù)計(jì)算，在控制工況條件下，先、后啟孔消力池底頂高程分別為-3.65，-3.20 m，先、后啟孔消力池長(zhǎng)度分別為28.5，25.6 m。為使消力池具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，結(jié)合模型試驗(yàn)情況，設(shè)計(jì)中先后啟孔消力池池深分別選用-4.0，-3.5 m，較計(jì)算值略深。具體布置方案如下：

拆除原濾滲板及消力池，采用混凝土結(jié)構(gòu)加固。重建后的消力池采用一級(jí)池布置方案，其結(jié)構(gòu)型式、運(yùn)行方式和孔數(shù)基本同原消力池。消力池先、后啟孔消力池全長(zhǎng)分別為36.0，31.0 m，分斜坡段和水平段兩部分，先啟孔(原5—11號(hào))水平段頂高程降低為-4.0 m；后啟孔水平段頂高程降至-3.5 m。先啟孔消力池內(nèi)設(shè)置了一道高約1.3 m的消力檻。消力池水平段與閘底板間采用1∶4斜坡段相連。先、后啟孔消力池用隔墻隔開(kāi)以消除回流影響，隔墻頂高程-1.0 m。

方案二(二級(jí)池)：將方案一中先啟孔采用二級(jí)消力池型式。第一級(jí)消力池長(zhǎng)23.0 m，底部頂高程-3.5 m，消力池由斜坡段和水平段二部分組成，斜坡段自閘室底板用1∶4的坡度降至消力池底部高程，水平段長(zhǎng)15.0 m，池后尾檻頂高程-2.0 m；第二級(jí)消力池長(zhǎng)22.5 m，底部頂高程-4.5 m，兩級(jí)消力池間采用1∶4的斜坡相連。重建后的后啟孔消力池結(jié)構(gòu)同方案一。先、后啟孔消力池用隔墻隔開(kāi)以消除回流影響，隔墻頂高程-1.0 m。

兩方案在理論上均能滿足在池內(nèi)發(fā)生淹沒(méi)水躍，及出池水流與下游水位的良好銜接。且經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，在小流量初始泄流時(shí)屬于弱水躍消能，兩方案消能率相差不大，池后流速屬同一量級(jí)，從消能方面而言兩方案差別不大。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》建議及其他工程經(jīng)驗(yàn)，在池中加設(shè)消力檻，有助于增加消能率，調(diào)整流態(tài)，模型試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證，因此從改善流態(tài)的角度，兩方案也基本相同。但就施工難易程度及工程量而言，方案二大于方案一。綜上所述，采用方案一、即一級(jí)池為推薦方案。

2）消力池護(hù)坦板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①消力池底板厚度確定

本閘室消力池底板厚度由抗浮和抗沖穩(wěn)定兩方面確定?？箾_厚度由上下游水位差和單寬流量確定。經(jīng)計(jì)算，抗沖厚度受校核洪水位情況控制，需0.78 m。而抗浮厚度由下游水位、閘門(mén)泄流方式及底板深度確定,當(dāng)下泄水流自由出流，且下游水深與消力池收縮水深差值最大時(shí)，底板所需抗浮厚度最大。經(jīng)試算，當(dāng)正常蓄水位，閘門(mén)開(kāi)啟0.4 m時(shí)為底板抗浮穩(wěn)定控制工況。由于先后啟孔池深相差不大，本階段僅選用先啟孔底板分為兩段進(jìn)行計(jì)算。若底板揚(yáng)壓力全計(jì)，南港消力池底板始段計(jì)算厚度大，考慮底板設(shè)置排水孔，參照溢洪道現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)規(guī)定，可將底板揚(yáng)壓力折減20%，護(hù)坦板前段按抗浮計(jì)算厚度取值，采用1.3 m厚；后段按抗沖厚度及規(guī)范規(guī)定取值，采用0.80 m厚。

②消力池底板強(qiáng)度計(jì)算及構(gòu)造要求

經(jīng)計(jì)算，在各種工況下，加固后的護(hù)坦板底板結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和裂縫要求。

消力池底板采取如下構(gòu)造措施：消力池底板內(nèi)增設(shè)排水孔，其下設(shè)反濾層，以穩(wěn)定消力池底板下砂層；消力池護(hù)坦板與閘室底板以及護(hù)坦板之間設(shè)止水。

3.4.3 海漫及防沖槽加固方案

選用設(shè)計(jì)和校核洪水位計(jì)算海漫長(zhǎng)度以及下游河床沖刷深度。計(jì)算成果表明，海漫及防沖槽尺寸受校核工況控制。根據(jù)計(jì)算，海漫及防沖槽采用如下加固方案：先、后啟孔海漫分別加長(zhǎng)至43.0，48.0 m，由兩段組成：前段為水平段，采用漿砌條石海漫，頂高程降低至-3.0 m；后24.0 m為斜坡段，自漿砌條石海漫頂高程接至防沖槽頂高程，斜坡段采用干砌條石，其下鋪設(shè)土工布。防沖槽頂高程-4.0 m，根據(jù)下游河床沖坑最深時(shí)，塊石可能坍塌時(shí)所需數(shù)量，確定防沖槽長(zhǎng)21.0 m，深2.5 m。

4 結(jié)語(yǔ)

1）經(jīng)過(guò)南港閘近幾年的運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題，初步證明通過(guò)上述對(duì)水閘消能防沖設(shè)施的研究，并針對(duì)研究的結(jié)論采用的除險(xiǎn)加固措施是成功的。

2）對(duì)于下游水位受潮夕影響的消能設(shè)施，采用一級(jí)消力池不僅可滿足消能效果，且可保證消能設(shè)施的整體性，確保消力池安全。