云河取水樞紐沖沙閘設(shè)計(jì)

李巖

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新123000）

云河取水樞紐沖沙閘設(shè)計(jì)

李巖

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新123000）

云河取水樞紐位于云河上，其設(shè)計(jì)既要保證年來水量能夠滿足云河灌區(qū)農(nóng)田灌溉及已建電站的發(fā)電要求，又要滿足水路和陸路方面的效益規(guī)劃要求，因此需要在進(jìn)水閘旁修建一沖沙閘，以起到?jīng)_沙和泄洪的作用。文中以實(shí)際調(diào)查的水量、地質(zhì)資料和水文條件狀況為基礎(chǔ)，立足于安全、經(jīng)濟(jì)可行性，對沖沙閘的水力設(shè)計(jì)及消能防沖設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述。

云河取水樞紐；沖沙閘；消力池；設(shè)計(jì)

云河取水樞紐設(shè)計(jì)要保證年來水量能夠滿足云河灌區(qū)3 000 hm2農(nóng)田灌溉及樞紐下游的已建電站的發(fā)電要求，同時(shí)還要滿足水路和陸路方面的效益規(guī)劃要求。為了配合云河取水樞紐工程進(jìn)行正常取水、灌溉，在進(jìn)水閘旁修建一沖沙閘，可以起到?jīng)_沙和泄洪作用。沖沙閘根椐水工建筑物設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)際調(diào)查的水量、地質(zhì)資料和水文條件狀況為基礎(chǔ)，立足于安全、經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 基本設(shè)計(jì)資料

云河取水樞紐位于云河上。樞紐以上控制流域面積7 531 km2，水源豐富。河道常年水位在35.5～36.5 m之間。灌區(qū)進(jìn)水閘以5%的洪水作為停止引水標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)水閘引水時(shí)（相應(yīng)灌溉頻率P= 75%時(shí)）相應(yīng)的河道流量Q=600 m3/s，此流量尚供下游發(fā)電之用。

樞紐附近地質(zhì)情況：由地質(zhì)剖面圖知在樞紐軸線位置的320 m河槽范圍以內(nèi)，由東向西約有230 m長的覆蓋層為砂卵石層，最厚達(dá)11 m，最薄5 m，平均約8 m；下面為砂壤土，最大深度約40 m，最小為5 m，平均厚約20 m；再往下為粉砂泥質(zhì)巖，緊接的90 m范圍河槽部分，最深覆蓋層約5 m，最淺1 m，平均約3 m左右；下面是玄武巖，風(fēng)化層2～3 m。

沿河一帶由于河道常年有水，故地下水位相對較穩(wěn)定，一般在35.5 m左右。

灌溉渠道設(shè)計(jì)成果：渠道渠底高程36.00 m；最大引水流量Q=50 m3/s；灌溉期正常擋水位38.00 m，相應(yīng)下游水位37.82 m；渠道縱坡i=1/7 000；渠道邊坡m=2；渠道底寬B=14 m；渠道頂部高程39.50 m；渠道頂部寬6 m；渠道水位44.00 m。

2 沖沙閘的水力設(shè)計(jì)

2.1 閘孔尺寸

沖沙閘一般位于壩端并與進(jìn)水閘相連，其軸線與河流流向垂直，以利沖沙。沖沙閘一般采用開敞式，閘孔尺寸的設(shè)計(jì)主要是確定閘前設(shè)計(jì)水位、設(shè)計(jì)流量及底板高程。

2.1.1 閘前設(shè)計(jì)水位及設(shè)計(jì)流量

為了使河道主槽靠近進(jìn)水閘，沖沙閘下泄其設(shè)計(jì)流量時(shí)，溢流壩壩頂不溢流，即閘前設(shè)計(jì)水位與壩頂齊平。為37.07 m。

由于沖沙閘設(shè)計(jì)流量的確定涉及因素較多，至今尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，沖沙閘的設(shè)計(jì)流量采用50%～80%頻率的洪水流量。依據(jù)這一原則，取75%頻率的洪水流量為設(shè)計(jì)流量，查資料得Q=1 090 m3/s。

2.1.2 底板高程的確定

沖沙閘底板高程應(yīng)根據(jù)樞紐附近河道比降和沖淤變化來確定，一般要求沖沙閘底板高程低于進(jìn)水閘底板高程1.0～1.5 m。根據(jù)已知資料，進(jìn)水閘底板高程為35.1 m，則可取沖沙閘底板高程為35.1－1.1=34 m。

2.2 沖沙流速驗(yàn)算

樞紐在運(yùn)用過程中，當(dāng)河道來水量大于沖沙流量時(shí)，取水和沖沙一般都不成問題；當(dāng)河道來水量小于進(jìn)水閘設(shè)計(jì)流量時(shí)，沖沙閘一般都是關(guān)閉的，以便壅水沉沙及取水，待槽內(nèi)泥沙接近淤滿時(shí)，即停止取水沖沙。這時(shí)壅水位急劇下降，沖沙較為強(qiáng)烈，隨著沖沙時(shí)間的增長，沖刷逐漸向上延伸，最后把沉沙全部沖走，水深恢復(fù)正常。

在沖沙時(shí)，槽內(nèi)各斷面流速應(yīng)大于泥沙起動(dòng)流速，即v＞1.3vc，其中v為沖沙流速（m2/s）、vc為泥沙的起動(dòng)流速（m2/s）。對于云河含泥沙量較大，且顆粒等級劃分比較細(xì)，故必須考慮顆粒之間的粘結(jié)力。

采用下面公式：

式中：H為水深，m；d為粒徑，取d=0.027 5 mm；r為水容重，取r=9.8 kg/m3；rs為泥沙容重，取rs= 26.5 kg/m3。

得vc=7.47 m2/s。

當(dāng)沉沙槽底板小于臨界坡降或水平時(shí)，水流在閘孔處常出現(xiàn)臨界水深hk和相應(yīng)的臨界流速vk。當(dāng)vk＞1.3vc時(shí)，就可滿足沖沙要求。

式中：q為過水流量，m3/s；g為重力加速度。

2.3 淤積流速驗(yàn)算

當(dāng)沖沙閘關(guān)閉，進(jìn)水閘取水時(shí)，泥沙槽內(nèi)流速應(yīng)小于平均臨界淤積流速v0，計(jì)算時(shí)采用拉塞公式：

式中：f為泥沙系數(shù)，查表得f=1.0；R為水力半徑，m。

根據(jù)公式R=A/X計(jì)算R：

式中：A為過流斷面面積，m2；X為濕周，m。槽內(nèi)平均流速滿足淤積要求。

3 消能防沖設(shè)計(jì)

3.1 消力池

3.1.1 消力池長度計(jì)算

消力池長L由射流水舌長L1及水躍長Lk兩部分組成，自由水躍長度Lj可按Lj=6.9（hc″-hc′）計(jì)算。一般消力池的長度Lk按Lk=（0.7～0.8）Lj估算，消力池總長度L=L1+Lk。其中，hc′為躍前水深，m；hc″為躍后水深，m。

Lj=6.9（hc″-hc′）=6.9×（2.214-0.308）=13.2 m，

L=0.75L=0.75×13.2=9.9 m，L=2 m，則L= L1+Lk=9.9+2.0=11.9 m。

即取消力池總長度為12 m。

3.1.2 確定消力池底板厚度t

計(jì)算護(hù)坦厚度t的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：q為閘孔處的單寬流量，m3/s；△H為泄水時(shí)的上下游水位差，m；K1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可采用0.175～0.200，取K1=0.2；t為靠近閘室一端的護(hù)坦厚度，m。

護(hù)坦底板一般采用混凝土或加筋混凝土，小型水閘有的采用漿砌石。底板上設(shè)有排水孔，孔徑選20 cm，間距2 m，呈梅花型排列。護(hù)坦在平行水流方向設(shè)沉降縫，縫的位置宜與閘墩對齊。護(hù)坦底部設(shè)反濾層：碎石20 cm，中砂10 cm，細(xì)砂10 cm。

3.2 海 漫

經(jīng)過護(hù)坦段消能的水流仍具有一定的剩余能量，單寬流量偏大，流速分布不均勻，脈動(dòng)仍較劇烈，為此，護(hù)坦后還有設(shè)置海漫和防沖槽，以逐步調(diào)整流量和流速分布，使之達(dá)到接近天然河道的水流狀態(tài)。

3.2.1 確定海漫長度

式中：q′為海漫起端的單寬流量，m3/s；△H為泄流時(shí)的上下游水位差，m；Ks為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，粉沙及細(xì)粉沙河床可采用13～15，中砂、粗砂及砂壤土可用10～12，這里取Ks=14。

3.2.2 海漫的布置及構(gòu)造

為了使水流更好地?cái)U(kuò)散，海漫在平面上采取向兩側(cè)逐漸擴(kuò)散的布置方式；在立面上，海漫始端做成水平段，后部接以傾斜段，坡度不應(yīng)陡于1∶10。海漫所用的材料，前段約1/4左右海漫長度的范圍內(nèi)，通常采用漿砌石塊，余下的后段常采用干砌石結(jié)構(gòu)。塊石直徑大于30 cm，其實(shí)厚度為40 cm。海漫段設(shè)計(jì)排水孔，下設(shè)反濾層。

3.3 防沖槽

式中：t″為海漫末端的可能沖刷深度，m；q′為海漫末端的單寬流量，m3/s；v0為河床土質(zhì)的不沖速，查表得0.70 m/s；t為海漫末端的水深，m。

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