新安江橫江閘壩消能設(shè)計(jì)與分析

林瀟

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

1 項(xiàng)目概況

橫江閘壩是黃山市依托新安江優(yōu)越的山水風(fēng)景和燦爛的歷史文化，構(gòu)筑一個(gè)開放型綜合濱江公共景觀工程的重要組成部份。工程位于黃山市屯溪區(qū)上游的橫江河段，北起梅林橋南至鎮(zhèn)海橋，全長約6.14 km,與已經(jīng)竣工的下游段綜合開發(fā)工程相接。項(xiàng)目的主要功能為壅高水位，保持水面，維養(yǎng)濕地景觀并承擔(dān)防洪任務(wù)。

2 橫江閘壩布置

根據(jù)整治河段的坡降、長度及河道兩岸低洼地較多的現(xiàn)狀，為減少汛期緊急泄洪時(shí)對下游河道的沖刷，避免對下游堤岸、鎮(zhèn)海橋造成安全隱患及減少堤內(nèi)低洼地區(qū)的排水量，采用2級壅水方案，即梅林壩與橫江壩。兩壅水壩相距約2.8 km，兩壩之間的水位差為3.0 m?？紤]梅林及新潭溪濕地高程在128 m以下的面積約占31.4%，高程在128 m以上的部分約占68.6%，水域與灘涂面積比例較為合理，適宜形成較好的濕地景觀。確定上游的梅林壩壅水水位為128 m，橫江壩壅水水位為125 m。

橫江閘壩為單一型式壅水建筑物，建筑物在垂直河流方向一字形布置。左岸與華山路相接，右岸與堤頂防汛道路相接，構(gòu)筑兩岸交通體系。過水凈寬考慮與規(guī)劃河道寬度相匹配，不過多束窄河道影響行洪以及增加翼墻等連接段的工程量，同時(shí)便于與兩岸建筑物布置協(xié)調(diào)。

橫江壩泄流總凈寬為120 m，共3孔，單孔凈寬40 m，中墩兩個(gè)，各厚8 m。采用底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門擋水，液壓啟閉機(jī)操作。閘壩處河床高程121.5 m，閘底檻高程為122.0 m，擋水高程為125 m。閘壩上游設(shè)置護(hù)坦段，下游設(shè)置消力池和海漫段。上下游兩岸翼墻八字形擴(kuò)散布置，與兩岸大堤及護(hù)岸平順銜接。

3 消能防沖設(shè)計(jì)分析

3.1 自然條件

工程區(qū)多年平均氣溫16℃，夏季極端最高氣溫41.3℃，冬季極端最低氣溫-13.5℃。多年平均降水量為1 670 mm。由于新安江流域特殊的“黃山地形”，降水強(qiáng)度大，雨量集中，多導(dǎo)致暴雨洪水。該區(qū)每年4—5月份就有洪水發(fā)生，但峰量均不大；6—7月份為洪水的主要季節(jié)，洪水具有漲得快、落得快、歷時(shí)短，流速大、沖刷力大、破壞力大的特點(diǎn)。新安江干流屯溪段河道多年平均含沙量僅0.1 kg/m3，多年平均輸沙率0.17 kg/s，洪水期最大含沙量為1.45 kg/m3，屬少沙河流。

工程區(qū)抗震設(shè)防烈度小于Ⅵ度，為抗震不設(shè)防區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度小于0.05 g。壩址地層依次為厚1~3 m的砂卵石、6~9 m厚的強(qiáng)風(fēng)化基巖，其下為弱風(fēng)化巖體。

3.2 工程標(biāo)準(zhǔn)

該河段防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇，橫江壩址處50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為3 593.3 m3/s，10年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為2 409.7 m3/s，5年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1 912.7 m3/s。橫江閘壩工程等別為Ⅱ等，主要水工建筑物級別為2級。橫江壩工程采用壩頂溢流方式，設(shè)計(jì)壩頂溢流水深0.50 m。

3.3 設(shè)計(jì)工況分析

1）工況一：河道來水流量大于700 m3/s以上時(shí)，壅水壩上游河道水深滿足125 m水位的要求，閘門全部臥倒，類似寬頂堰泄流狀態(tài)。來水流量大于700 m3/s、但小于50年洪水3 593.3 m3/s流量時(shí)，上下游水位差在0.1～0.5 m之間的過渡狀態(tài)，不是控制工況。發(fā)生50年一遇設(shè)計(jì)洪水3 593.3 m3/s流量時(shí)，上下游水位差最大，相差0.5 m。此工況應(yīng)是閘門臥倒運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)工況。下游水深遠(yuǎn)大于躍后水深，屬于淹沒水躍，

2）工況二：正常蓄水溢流情況，正常蓄水時(shí)設(shè)計(jì)閘頂溢流水深不大于0.5 m，閘下游最高計(jì)算水位應(yīng)為堰頂溢流深為0.5 m時(shí)的下泄流量所對應(yīng)的水位。

3）工況三：正常蓄水至125 m，堰頂溢流深度為0 m，下游水位為最低枯水位，閘門快速臥倒泄流。此時(shí)明渠水流由緩流過渡到急流，即自高水位向低水位過渡時(shí)，水深沿流急劇降低，流線急劇變曲，水面突然跌落，此工況為特殊運(yùn)行工況，應(yīng)該為控制工況。

3.4 分析計(jì)算

針對3種工況分別計(jì)算消力池深、池長、消力池底板厚、海漫長及沖刷坑深。工況一、二均為常規(guī)水力計(jì)算方法，工況三與跌水類似，采用相應(yīng)水力計(jì)算方法。具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 橫江鋼壩消能計(jì)算成果表

3.5 消能工尺寸確定

上游護(hù)坦段長20 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高程為121.60 m。下游消力池段長30 m，消力池采用鋼筋混凝土挖深式擴(kuò)散消力池，池深3.0 m，池底高程118.50 m，尾坎高程121.50 m。在底板底部設(shè)置長3 m、間排距2 m的Φ25錨桿。下游海漫段長50 m，采用素混凝土結(jié)構(gòu)護(hù)底，海漫首端高程為121.50 m，海漫末端高程為121.00 m，海漫末端設(shè)置素混凝土防沖墻結(jié)構(gòu)。

4 問題討論

1）消能工尺寸的確定：根據(jù)消能計(jì)算成果分析，當(dāng)發(fā)生50年設(shè)計(jì)洪水流量時(shí)，消力池深度為負(fù)值，即不需挖深消力池，但池長仍未最大，所以池長按滿足此工況要求的27.2 m確定，實(shí)際設(shè)計(jì)采用30 m。池深、護(hù)坦末端防護(hù)按下游為最枯水位122 m、上游水位為125 m、快速閘門完全開啟時(shí)要求的深度2.66 m確定，實(shí)際設(shè)計(jì)采用池深為3.0 m，護(hù)坦末端設(shè)置防沖墻。

2）河道沖刷：常遇洪水過壩平均流速約2.3 m/s，河道平均流速約1.7 m/s，小于河床的允許不沖流速（礫石、砂巖河床為2.5 m/s，砌石護(hù)岸為4.0 m/s）。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)50年一遇洪水過閘平均流速約3.51 m/s，海曼末端平均流速約2.6 m/s，略大于河床的允許不沖流速，海曼末端已采取工程措施，設(shè)有素混凝土防沖墻，工程自身安全沒有問題，但河床會(huì)產(chǎn)生少量的沖刷，隨著細(xì)顆粒的流失，河床抗沖能力會(huì)逐漸提高到穩(wěn)定狀態(tài)。且該段河道覆蓋層較薄，僅為1~3 m，其下為巖石，不存在嚴(yán)重沖刷下切的問題。

3）該工程屬于典型的低壩工程，具有水頭低、下泄水流單寬流量較大。此項(xiàng)目在5年以上設(shè)計(jì)洪水是佛汝德數(shù)介于1.7與2.5之間，為弱水躍消能效率小于20%、閘門在下游最低水位迅速全開的工況下佛汝德數(shù)小于1.7，為波狀水躍，消能效率更低。該問題已成為水利水電工程尤其是中小型工程中亟待解決的重要課題。該類水躍水流的能量多在表層，消能工無法充分發(fā)揮效率，能量下移，極易造成對下游河床及堤岸的沖刷破壞。隨著國內(nèi)外對低佛氏數(shù)水躍的研究，人們對低佛氏數(shù)躍后的破壞有了新的認(rèn)識，這也是當(dāng)前國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)注的問題之一。

此次設(shè)計(jì)綜合分析研究了傳統(tǒng)底流式消能工、綜合底流式消能工、輔助消能工與傳統(tǒng)底流消能工相結(jié)合、護(hù)坦式消能工以及一些新型綜合消能工等多種消能形式，以便找到適合于該工程，能較合理地解決低佛氏數(shù)水躍消能的方法，從而達(dá)到減小工程量、減輕下游河道沖刷之目的。設(shè)計(jì)選用的兩種消能工為：加設(shè)消力墩、差動(dòng)式尾坎的消力池或T型墩消力池，并提出進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，再根據(jù)試驗(yàn)情況最后擇優(yōu)確定。

［1］花立峰.輔助消能工的水力特性及在閘下低佛氏數(shù)水躍消能中的應(yīng)用［J］.水利水電工程設(shè)計(jì)，2009，28（1）.

［2］李煒.水力計(jì)算手冊（第二版）［M］.北京：水利水電出版社，2006.

［3］郭子中.消能防沖原理與水力設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，1982.