跌水消能在補(bǔ)水閘工程中的應(yīng)用

韓冬梅，宗志聰，王學(xué)超（.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春300；.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450000）

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跌水消能在補(bǔ)水閘工程中的應(yīng)用

韓冬梅1，宗志聰1，王學(xué)超2
（1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130012；2.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450000）

［摘 要］文中通過一總干補(bǔ)水閘的工程設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)比分析底流消能和跌水消能方式的優(yōu)缺點(diǎn)，說明跌水消能方式在高落差水閘下游防沖設(shè)計(jì)中的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

［關(guān)鍵詞］補(bǔ)水閘；消能設(shè)計(jì)；跌水

1　引　言

過閘水流具有較大的動(dòng)能，若不采取適當(dāng)?shù)南芊罌_措施，勢(shì)必沖刷下游河（渠）道，進(jìn)而威脅水閘的安全。水閘常用的消能方式主要有底流消能、跌水消能、面流消能和消力戽消能等，根據(jù)不同的水力條件、地形和地質(zhì)條件應(yīng)采取合適的消能方式。對(duì)于上下游落差較大的水閘來說消能方式的選擇顯得尤為重要。通過一總干補(bǔ)水閘的設(shè)計(jì)實(shí)例，經(jīng)計(jì)算分析對(duì)比，說明在上下游落差較大的水閘設(shè)計(jì)中，跌水消能方式可有效節(jié)省投資，降低出口流速在工程設(shè)計(jì)中更具有實(shí)用意義。

2　工程概況

一總干補(bǔ)水閘是向查干湖補(bǔ)水的節(jié)點(diǎn)性工程，查干湖是河湖連通四大生態(tài)群落中查干湖群落的核心泡子。當(dāng)查干湖需補(bǔ)水時(shí)，由哈達(dá)山輸水總干渠渠首閘自松花江取水，經(jīng)哈達(dá)山輸水總干渠輸水，在總干渠樁號(hào)27+097.75處由一總干分水閘進(jìn)入一總干輸水渠道，在一總干末端的一總干補(bǔ)水閘進(jìn)入引松團(tuán)結(jié)干渠。然后通過引松團(tuán)結(jié)干渠進(jìn)入新廟泡，當(dāng)新廟泡補(bǔ)水達(dá)到一定水位時(shí)，通過新廟泡與查干湖的連接渠道實(shí)現(xiàn)向查干湖補(bǔ)水。

一總干補(bǔ)水閘位于前郭灌區(qū)一總干輸水渠道末端，水閘下游與引松團(tuán)結(jié)渠連接。作用是利用哈達(dá)山輸水總干渠向查干湖補(bǔ)水。補(bǔ)水閘為孔口式1.5 m×3孔閘門，設(shè)計(jì)流量10.0 m3/s。一總干補(bǔ)水閘上游水位為133.40 m，下游水位為130.20 m。

3　消能方案設(shè)計(jì)

3.1消能方式的選取

底流消能：底流消能為水閘最常見的消能方式，可用于各類地基上的中低水頭的各類泄水建筑物，在水閘工程中應(yīng)用非常普遍。面流消能：面流消能主流在表面，具有底部旋滾，河床加固費(fèi)用較少，便于排除浮冰及其他漂浮物。消力戽：消能戽是利用淹沒挑水坎將水流挑向水面，形成旋滾和涌浪，產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)摩擦和擴(kuò)散作用，已達(dá)到消能防沖目的。但要求下游基礎(chǔ)較為堅(jiān)實(shí)和尾水較深，因此在采用時(shí)更應(yīng)注意結(jié)合地質(zhì)情況。跌水消能：一般應(yīng)用于上下游跌差較大的渠道連接中。在中小型工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于上下游跌差較大的水閘來說可采用底流消能方式和跌水消能方式較為合理，根據(jù)水力條件和地質(zhì)條件等因素綜合考慮應(yīng)選擇哪種消能方式。

一總干補(bǔ)水閘閘室底板頂高程131.90 m，下游團(tuán)結(jié)干渠底高程129.30 m，落差為2.60 m，消能方式選擇底流消能和跌水消能進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2底流消能和跌水消能計(jì)算方法

1）底流消能計(jì)算：

式中：d——消力池深度，m；σ0——水躍躍淹沒系數(shù)，可采1.05～1.10；hc″——躍后水深，m；hc——收縮縮水深，m；a——水流動(dòng)流動(dòng)能校正系數(shù)采用1.0～1.05；q——過閘單寬流量，m3/s；b1——消力池首端寬力池首端；b2——消力池末端寬力池末端；T0——由消力池底板頂消力池的總總勢(shì)能，m；▽Z——出力落差，m；hs′——出池河床水深，m。

式中：Lsj——消力池長(zhǎng)度，m；Ls——消力池斜坡段水平投影長(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。

2）跌水消能計(jì)算：

消能防沖計(jì)算計(jì)算公式：

式中：D——q2/gP3，m；P——跌差，m；q——收縮斷面處的單寬流量，m3/s/m。

3.3消能計(jì)算成果及分析

補(bǔ)水閘底流消能計(jì)算成果及跌水消能計(jì)算成果，見表2和表3。

根據(jù)上述計(jì)算值，底流消能方式工程設(shè)計(jì)取值為：消力池池深0.8 m，水平段長(zhǎng)8.5 m，斜坡段長(zhǎng)13.6 m，總長(zhǎng)度22.1 m，出口流速為2.36 m/s。跌水消能方式工程設(shè)計(jì)值：一級(jí)消力池長(zhǎng)7.0m，二級(jí)消力池長(zhǎng)8.0 m，總長(zhǎng)度15.0 m，出口流速為1.26 m/s。底流消能消力池長(zhǎng)，工程量大，在消力池出口流速為2.36 m/s，對(duì)下游渠道沖刷嚴(yán)重，嚴(yán)重影響水閘的工作安全性。而跌水式消力池池深及池長(zhǎng)都較底流消能小，工程量小，出口流速低，滿足渠道沖刷要求。結(jié)合上述計(jì)算和地形地貌等綜合因素，設(shè)計(jì)采用二級(jí)跌水消能方式更為合理。

表2　補(bǔ)水閘底流消能計(jì)算成果表

表3　補(bǔ)水閘躍水消能計(jì)算成果表

3.4二級(jí)跌水消力池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二級(jí)跌水消力池為鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu)，底寬均為6.10 m。其中第一級(jí)跌水跌差1.80 m，總池長(zhǎng)8.0 m，跌坎高0.7 m。底板頂高程130.10 m，底板厚0.6 m，底板及邊墻設(shè)直徑50 mm排水孔，孔距2.0 m。底板下設(shè)0.1 m厚素混凝土墊層及1.0 m中粗砂換基。消力池邊墻由高程134.10 m漸變至高程133.00 m，頂寬由0.3 m漸變至0.6 m。第二級(jí)跌水跌差2.0 m，總池長(zhǎng)9.00 m，跌坎高0.8m。底板頂高程128.80 m，底板厚0.6 m，底板及邊墻設(shè)直徑50 mm排水孔，孔距2.0 m。底板下設(shè)0.1 m厚素混凝土墊層及1.0 m中粗砂換基。消力池邊墻頂高程133.00 m，頂寬由0.3 m漸變至0.6 m。

4　結(jié)論

一總干補(bǔ)水閘工程為吉林省西部地區(qū)河湖連通工程的前期應(yīng)急工程，目前已經(jīng)施工完成且運(yùn)行良好，為河湖連通工程200余個(gè)水閘的設(shè)計(jì)提供了借鑒和經(jīng)驗(yàn)。通過工程的設(shè)計(jì)，還有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

1）跌水消能型式對(duì)于跌差較大的連接型式里起了不可或缺的作用，既節(jié)省了工程量，又能得到很好的消能效果，在水閘消能防沖設(shè)計(jì)中，尤其是在有景觀要求的地方，應(yīng)用更合理。

2）在跌水消能設(shè)計(jì)的中，根據(jù)地形條件和限制合理設(shè)計(jì)跌水高度及級(jí)數(shù)。

3）在消能設(shè)計(jì)中要充分考慮下游出口流速大小，選擇合適的消能方式及結(jié)構(gòu)尺寸，盡量減小出口流速，以防對(duì)下游產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷現(xiàn)象。

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［中圖分類號(hào)］TV135

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1002－0624（2016）02－0005－02

［收稿日期］#2014-07-21