細(xì)河北臺(tái)段攔河壩工程橡膠壩消能防沖設(shè)計(jì)探討

孫 凱

（綏中縣水利技術(shù)推廣站，遼寧綏中125200）

細(xì)河北臺(tái)段攔河壩工程橡膠壩消能防沖設(shè)計(jì)探討

孫 凱

（綏中縣水利技術(shù)推廣站，遼寧綏中125200）

在攔河壩工程施工中，橡膠壩溢流流態(tài)比較復(fù)雜，計(jì)算工況選擇對(duì)橡膠壩消能防沖設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的影響。本文以遼寧本溪細(xì)河北臺(tái)段攔河壩工程橡膠壩消能防沖設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述了控制工況的選擇及其相應(yīng)的消力池、海漫、防沖槽設(shè)計(jì)計(jì)算。通過數(shù)值模擬水流流態(tài)，驗(yàn)證了主要消能防沖結(jié)構(gòu)——消力池的設(shè)計(jì)合理性，以期對(duì)相關(guān)工程設(shè)計(jì)有所借鑒。

橡膠壩；消能防沖設(shè)計(jì)；消力池；流態(tài)

1 工程概況

細(xì)河北臺(tái)段攔河壩工程由橡膠壩、節(jié)制閘、管理房和取水井組成。橡膠壩長204.40m，壩高為2.5m，泄流凈寬192.00m，橡膠壩底板順?biāo)鞣较蜷L9.0m，厚1.0m。整個(gè)橡膠壩共分三跨，兩邊跨壩長66m，中間跨壩長60m，中墩厚0.8m。該河道高程為111m，為防止推移質(zhì)泥沙卷入壩袋底部從而增加壩袋的磨損，壩底板高程比河道高程抬高了0.2m，則底板高程為111.20m。中墩頂高程

114.20 m，邊墩頂高程114.70m。橡膠壩上下游水位差較大，為保護(hù)下游河床，需對(duì)橡膠壩進(jìn)行消能防沖處理。

2 橡膠壩消能防沖設(shè)計(jì)

2.1控制工況選定

當(dāng)河道流量較大時(shí)，橡膠壩處于坍壩狀態(tài)，過壩水流為淹沒出流，對(duì)河道基本無沖刷破壞現(xiàn)象。在橡膠壩坍壩過程中，堰上水頭及堰高均在變化，根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，此工況不控制下游消能防沖。橡膠壩在運(yùn)行中快速放空一孔時(shí)，堰上水頭最大，此工況最為不利，考慮壩袋中孔坍壩，按寬頂堰流計(jì)算流量，此工況按表1所示五種情況進(jìn)行下游消能防沖計(jì)算［1］。

2.2挖深式消力池設(shè)計(jì)計(jì)算

消力池的種類有很多，應(yīng)用較多的為消力坎式和綜合式。就其功能而言，兩種消力池的作用是相同的，主要為消剎水能、形成水躍，進(jìn)而淹沒原有水躍形成的基本條件。消力池是底流消能的最主要結(jié)構(gòu)，其他消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的主要為保證消力池功能的有效實(shí)施。消力池的尺寸規(guī)格對(duì)于整個(gè)消能防沖設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的影響，其設(shè)計(jì)應(yīng)按照不同工況條件下的防沖效果進(jìn)行分析［2］，計(jì)算過程如下∶

表1 消能防沖計(jì)算工況

（1）消力池深度按下式計(jì)算∶

其中∶d—消力池深度，m；σ0—水躍淹沒系數(shù)，1.05；hc—收縮水深，m；h″c—躍后水深，m；α—水流動(dòng)能校正系數(shù)，1；q—過閘單寬流量，m2/s；ψ—流速系數(shù)，0.95；T0—總勢能，m；Δ Z—出池落差，m；hs—出池河床水深，m。

（2）消力池長度計(jì)算∶

其中∶Lsj—消力池長度，m；Lj—水躍長度，m；Ls—消力池斜坡段投影長度，m；β—水躍長度校正系數(shù)，0.75［3］。

根據(jù)上述公式及參數(shù)，計(jì)算得到不同工況條件下的池內(nèi)水深以及消力池尺寸，其結(jié)果見表2。

表2 橡膠壩消力池計(jì)算成果表

經(jīng)上述計(jì)算，各種工況下均需修建消力池。綜合考慮，滿足各種工況條件，確定消力池池深為1.0m，池長13.5m，其中水平段長8.0m，消力池形式選用底流消能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)［4］。

2.3下游海漫設(shè)計(jì)

海漫的作用是對(duì)消力池消能后的水流進(jìn)行進(jìn)一步的余能消除，調(diào)整池水流的流速分布，恢復(fù)原水流的水流狀態(tài)，減少對(duì)河床造成不必要的沖刷影響。從海漫功能需求出發(fā)可以得出，海漫的結(jié)構(gòu)應(yīng)具備一定的柔性、表面的粗糙度要足夠高。海漫長度的設(shè)計(jì)要綜合考慮多方面的因素，主要包括有海漫地質(zhì)條件、水閘上下游水位差、單寬流量以及表面粗糙度的要求。以最不利的水位、流量組合為計(jì)算工況［5］，下游海漫計(jì)算公式為∶

式中∶ht—下游水深，取1.34m。

計(jì)算得到，橡膠壩下游海漫長度為15.16m，故海漫長度取為16.00m，設(shè)計(jì)采用500m m厚的賓格網(wǎng)石籠結(jié)構(gòu)。

2.4下游防沖槽設(shè)計(jì)

當(dāng)流經(jīng)橡膠壩的下泄水量較大時(shí)，水流經(jīng)消力池與海漫消能防沖如達(dá)不到預(yù)期效果，可能造成河床的嚴(yán)重沖涮。為保障充分的消能防沖效果，需對(duì)過壩水流繼續(xù)進(jìn)行消能防沖處理，可在海漫的末端設(shè)置防沖槽或其他消能功結(jié)構(gòu)。防沖槽規(guī)格根據(jù)海漫末端水流對(duì)下游河床可能造成的沖刷深度來確定，同樣考慮最不利的計(jì)算工況，防沖槽深度計(jì)算，采用《水力計(jì)算手冊(cè)》中公式［6］∶

其中∶q為下游河道單寬流量，m3/s；h為海漫末端水深，m；ht為下游水深，m；z為海漫末端最大流速的位置高度，z＝0.5h；α0為動(dòng)能修正系數(shù)，取1.0；d為（d50）河床沙粒徑；rs和r分別為床沙和水的重率。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得到，橡膠壩下游防沖槽深度為1.168m。防沖槽設(shè)計(jì)為干砌石結(jié)構(gòu)，防沖槽深為1.0m。

3 消力池水力特性分析

對(duì)消力池水力特性分析采用流體數(shù)值模擬軟件F 1 ue nt進(jìn)行，根據(jù)所設(shè)計(jì)的消力池尺寸構(gòu)建數(shù)值模型，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的邊界條件與力學(xué)參數(shù)，模擬分析消力池在最不利工況條件下的水流流態(tài)分布規(guī)律。

3.1消力池水流流態(tài)

數(shù)值模擬得到消力池水面線及流速分布結(jié)果，如圖1所示∶

圖1 水流流態(tài)模擬結(jié)果

分析消力池水面線及流速分布模擬結(jié)果可知，橡膠壩壩孔的水流流態(tài)呈現(xiàn)淹沒射流，對(duì)應(yīng)的水躍長度為5m，而水流對(duì)消力池沖涮的長度約3m左右。通過橡膠壩的主水流在4m左右開始垂向擴(kuò)散，到9m時(shí)水流流態(tài)轉(zhuǎn)為順流。水流流經(jīng)消力池過程中形成漩渦，漩渦中心位置距橡膠壩壩孔約7m［7］。

3.2消力池臨底流速

模擬得到消力池流速分布規(guī)律，如圖2所示∶

圖2 消力池流速等值線示意圖

根據(jù)圖2（a）可知，在距消力池底板0.6m位置的水面，最大流速水面流速為14.1m/s，主要分布在距離橡膠壩4.5～8.5m范圍內(nèi)，距橡膠壩9m以外的水流流速逐漸減??；消力池池尾部分區(qū)域出現(xiàn)流速為負(fù)值的情況。根據(jù)圖2（b）可知，距離消力池底板1.0m水面水流流速都較0.6m水面增加，高流速區(qū)域范圍亦有所擴(kuò)大，但整體流速分布規(guī)律與前者相似。由橡膠壩消能防沖設(shè)計(jì)要求可知，消力池水流流態(tài)符合要求，消力池尺寸設(shè)計(jì)較為合理［8］。

4 結(jié)語

橡膠壩因其結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)異性，與其他結(jié)構(gòu)消能防沖設(shè)計(jì)相比，同等條件下的橡膠壩消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低。但為保證過壩水流不對(duì)河床產(chǎn)生沖涮，橡膠壩消能防沖設(shè)計(jì)應(yīng)分工況進(jìn)行，此次攔河壩工程橡膠壩消能防沖設(shè)計(jì)控制工況選取5個(gè)，計(jì)算得到消力池池深為1.0m，池長13.5m；并且為確保消能防沖的有效性，設(shè)計(jì)在消力池末端設(shè)置賓格網(wǎng)石籠海漫和干砌石防沖槽。水力特性數(shù)值模擬顯示，消力池內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)，基本上不存在沖涮河床情況，驗(yàn)證了消能防沖設(shè)計(jì)的合理性。

［1］高本虎.橡膠壩工程技術(shù)指南（第二版）［M］.北京∶中國水利水電出版社，2006.

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D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.035

2015-12-14

孫 凱（1976年—），男，工程師。