水工建筑物的消能設(shè)計問題分析

張 懌

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水工建筑物的消能設(shè)計問題分析

張 懌

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水工建筑物的消能設(shè)計是水利工程建設(shè)的關(guān)鍵，它決定了水工建筑的安全性和穩(wěn)定性，甚至決定了整個水利工程的安全運行。文章結(jié)合某渠首引水工程實例，對水工建筑的消能設(shè)計進行深入研究。

渠首；水工建筑物；消能防沖；設(shè)計

1 工程概況

某渠首是葉城縣主要引水工程，屬于大(2)型水利樞紐工程，為Ⅱ級建筑物。但因為該灌區(qū)通過七一大渠，從葉爾羌河可以調(diào)水，控制了一部分灌溉面積，同時該渠首為低水頭引水樞紐，事故情況下不致造成很大的危害和損失，故可以把工程等級降低一級，按Ⅲ級建筑物設(shè)計，設(shè)計洪水標準取50a一遇，校核洪水標準取500a一遇考慮。本地區(qū)地震烈度為7度。其地基承載能力>30t/m2。河床砂礫石容重2.12t/m3，比重2.17t/m3。河床砂礫石內(nèi)摩擦角：水上38°；水下30°。進水閘灌區(qū)第一分水閘的距離約4000m，其引水口高程為1475.5m。

2 消能設(shè)計控制

2.1 消能設(shè)計不利原因

由于水閘類型的不同，所需要考慮的消能設(shè)計條件也不同。這就需要在進行消能設(shè)計時，對上下游水位、這閘流量、閘門啟閉等情況進行綜合考慮。由于消能設(shè)計比較復(fù)雜，設(shè)計條件惡劣是設(shè)計過程中經(jīng)常遇到的問題。在實際設(shè)計過程中，很多設(shè)計人員在完成閘下消力池水力計算后，都會發(fā)現(xiàn)消力池計算深度表現(xiàn)異常，不是深度過大，就是無法取得預(yù)期的消能效果[1]。經(jīng)過研究分析，可以總結(jié)出消力池計算深度失誤，導(dǎo)致消能率較低的主要原因為：

1)由于上游洪水流量和下游潮位的不斷變化，容易導(dǎo)致過閘水流的水位、流量及流速發(fā)生不斷的變化，在設(shè)計時，如果分析不周密，而是過于簡單在設(shè)定一個上下游水位，就很容易造成消力池計算失誤的問題。

2)當(dāng)下游的水位較低時，如果只考慮到閘門開度、啟閉順序來設(shè)計消力池，而沒能對下游水面曲線進行合理分析，也容易造成消力池消能率的降低。

3)沒能結(jié)合實際工況，設(shè)置一些消力墩等輔助消能設(shè)置，導(dǎo)致出現(xiàn)了水躍現(xiàn)象。

2.2 消能設(shè)計控制措施

消力池主要有挖深式消力池、尾坎式消力池以及綜合式消力池3種類型。消力池深度以及池底高程設(shè)計，應(yīng)該根據(jù)上、下游水位，過閘流量，以及工程區(qū)的地質(zhì)條件等因素來進行確定。有時計算的池深結(jié)果會出現(xiàn)零或負值的現(xiàn)象，從理論上講可以不必設(shè)置消力池，但在實際工程中，仍然會設(shè)置0.5～1m深的消力池，這樣能夠有效穩(wěn)定水躍的位置，調(diào)整消力池后的流速分布，達到充分消能的目的。

當(dāng)水平護坦上沒有任何尾坎時的水躍，通常稱之為自由水躍，這時需要較長的消力池，但這種結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)各級泄流量，所以也很少應(yīng)用實際工程當(dāng)中。當(dāng)消力池采用挖深式或其它形式時，消力池內(nèi)會形成強迫水躍，比自由水躍自短，也相對穩(wěn)定。

在對本工程消能控制進行設(shè)計時，由于本閘位于平原地區(qū)，河床的抗沖刷能力較低，所以采用了底流式消能。設(shè)計水位或校核水位時閘門全開宣泄洪水，為淹沒水流，無須消能，閘前為正常高水位1.8m，部分閘門局部開啟，只宣泄較小流量時，下游水位不高，閘下的流速度較大，才會出現(xiàn)嚴重的沖刷河床現(xiàn)象，須設(shè)置相應(yīng)的消能設(shè)施，為了保證無論何種開啟高度的情況下均能發(fā)生淹沒式水躍消能，采用閘前水深H=2.4m，閘門局部開啟情況，作為消能防沖設(shè)計的控制條件；為了降低工程造價，同時保證水閘安全運行，根據(jù)閘門的操作規(guī)程，本次設(shè)計按1、2孔對稱方式開啟，分別對不同開啟孔數(shù)和開啟度進行組合計算，找出消力池池深和池長的控制條件；通過計算，為了節(jié)省工程造價，防止消力池過深，對開啟2孔高度為0.5m的消力池池深為限開條件，得出開啟2孔高度為0.9m的消力池池深為控制條件。取消力池長度11m。

2.3 消力池底板厚度確定

消力池底板又可稱為護坦，它需要承受高速水流的沖擊力、脈動壓力以及揚壓力的頂托。消力池底板的作用，主要有促使水流在底板范圍內(nèi)產(chǎn)生水躍，以及避免河床受到?jīng)_刷。水工建筑中的消力池底板厚度，必須能夠同時滿足抗沖和抗浮要求。抗沖取決于作用在底板表面的水流沖擊力，而抗浮要求則取決到作用在閘基的滲流揚壓力。這兩種力的性質(zhì)不同，分析的方法也各有不同。

根據(jù)抗沖要求，可根據(jù)沖量原理來作為設(shè)計底板厚度的依據(jù)。從沖力的觀點來看，消力池底板首端與末端采用同樣的厚度往往不合理，通常首末端池底板厚度的比值可設(shè)計為2∶1；根據(jù)抗浮的要求來看，采用等厚度的消力池底板也同樣存在不合理的問題。因為在低流消能情況下，為了達到良好的消能效果，應(yīng)該將水躍控制在消力池斜坡末端，這樣斜坡上的揚壓力通常會大于其它部分，尤其是在躍首部位。因此，通常情況下消力斜坡段的底板厚度應(yīng)該略大于平底段。

總體來講水閘消力池底板的厚度設(shè)計主要可分為兩步，首先是根據(jù)抗沖要求來對底板的厚度進行初步的確定，其次是根據(jù)抗浮要求來對整個底板的穩(wěn)定性進行復(fù)核。然后，選擇兩者當(dāng)中較大值，來確定出底板的最終厚度。但是在實際設(shè)計過程中，由于存在許多干擾因素，所以，還需要考慮一些實際問題，比如材料的強度、施工質(zhì)量、地基性質(zhì)以及防滲措施等。因此，在設(shè)計過程中，有必要選擇合理的安全系數(shù)。在此次對消力池底板厚度設(shè)計中，消力池底板厚度確定為t=1m。

2.4 海漫設(shè)計

在水工建筑物的消能設(shè)計中，還需要考慮海漫的長度。海漫的長度主要是由消能后的水能大小以及河床上的土質(zhì)決定的。海漫的長度需要根據(jù)局部刷坑的深度，海漫末端的保護措施，以及地層的變化等多種因素來進行設(shè)計。在設(shè)計時，設(shè)計者應(yīng)該根據(jù)河床的具體情況來處理。如果河床表面的土層較為堅硬，且厚度不大，且其下臥層的結(jié)構(gòu)主要為砂土，那么當(dāng)在遇到承壓水后，為了避免結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊破壞，為了保證表層土的完整性，就需要對海漫進行必要的處理。海漫的長度，原則上，應(yīng)該以海漫末端不發(fā)生沖刷或局部沖刷坑嘗深度不超過允許值為依據(jù)。在本工程中的海漫設(shè)計中，由于閘基土質(zhì)為中粉質(zhì)壤土，在經(jīng)過計算后，最后確定海漫長度為12m。

2.5 防沖槽設(shè)計

水流過海漫后，多余能量得到了進一步消除，流速接近河床水流的正常狀態(tài)，但在海漫末端仍有沖刷現(xiàn)象，甚至?xí)ψo坦造成破壞。要想河床完全不受沖刷破壞，就需要將海漫設(shè)計的足夠長，這種作法非常不經(jīng)濟。因此，可以通過在海漫末端設(shè)置防沖槽的方法，來保證結(jié)構(gòu)安全和節(jié)省工程量。防沖槽就是在海漫末端開挖的土槽中堆放一定量的塊石，槽頂通常與海漫末端平齊，而槽底的高程則由堆石數(shù)量、施工開挖等條件來決定。參照已建水閘工程的實際經(jīng)驗，防沖槽大多采用寬淺式的，一般深度取t=1.5～3m，此時槽頂高程與海漫末端齊平，防沖槽的底寬約為槽深的1～2倍。本工程確定的防沖槽深度d′取3m，底寬b=5，上游坡率m1=3,下游坡率m2=3。

3 結(jié) 論

本工程處于平原地區(qū)，由于平原地區(qū)土質(zhì)河道的抗沖能力較低。通過有效的消力池設(shè)計、海漫設(shè)計以及防沖槽設(shè)計，能夠全面提升水工建筑物的消能防沖能力。從而最大限度的保障水閘下游水工建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保障人民的生命財產(chǎn)安全。

[1]郭憲艷，馮碩，平原地區(qū)水閘消能防沖設(shè)計探討[J].中國水運，2011，11(03)：144-145.

1007-7596(2014)10-0075-02

2014-04-12

張懌(1979-)，男，新疆庫爾勒人，工程師，從事水利工程建設(shè)管理工作。

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