水工建筑物的消能設(shè)計(jì)問題探討

吳曉勇 金淑南 熊鷺

【摘要】在社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長背景下，水工建筑數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，同時也對新時期的水工建筑物的建筑質(zhì)量提出了更高的要求。水工建筑物建設(shè)前，需要充分做好前期設(shè)計(jì)工作，尤其是消能設(shè)計(jì)的合理性，直接關(guān)乎到水工建筑物的整體建設(shè)安全和質(zhì)量，對于后續(xù)的水利工程運(yùn)行安全意義較為深遠(yuǎn)。本文就水工建筑物的消能設(shè)計(jì)中存在的問題進(jìn)行分析，提出合理對策予以實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】水工建筑物；效能設(shè)計(jì)；問題；穩(wěn)定性

水利工程關(guān)乎社會民生，在新時期社會經(jīng)濟(jì)增長背景下，水利工程規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。為了能夠充分發(fā)揮水工建筑物的防洪、農(nóng)田灌溉和水力發(fā)電作用，應(yīng)該做好前期的水工建筑物消能設(shè)計(jì)工作。但是由于水工建筑物消能設(shè)計(jì)需要考慮的內(nèi)容較為多樣，很容易受到客觀因素影響，導(dǎo)致消能設(shè)計(jì)出現(xiàn)缺陷和不足，為后續(xù)的水利工程建設(shè)埋下安全隱患。所以，需要提高設(shè)計(jì)人員的專業(yè)能力，全方位考量，優(yōu)化水工建筑物的消能設(shè)計(jì)，促使工程原有作用充分發(fā)揮。加強(qiáng)對其研究，可以為后續(xù)工作開展奠定基礎(chǔ)，具有一定促進(jìn)作用。

一、工程概況

某工程為引水工程，屬于大型水利樞紐工程。由于灌區(qū)內(nèi)需要通過七一大渠，占用了部分灌溉面積，該渠首為低水頭飲水樞紐。一旦出現(xiàn)安全事故，將帶來嚴(yán)重的危害和經(jīng)濟(jì)損失，所以可以適當(dāng)?shù)慕档凸こ痰燃?，按照Ⅲ級建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，洪水標(biāo)準(zhǔn)按照50年一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考量。該地區(qū)地基承載能力超過30t/㎡。河床砂礫石內(nèi)摩擦角度為水上39°，水下30°，引水高程大概在1476m左右。

二、水工建筑物的消能設(shè)計(jì)控制

（一）消能設(shè)計(jì)的不利因素

由于不同水利工程水閘類型的多樣性，所以需要綜合考慮消能設(shè)計(jì)條件，在消能設(shè)計(jì)中能夠考慮上下游水位、閘門啟閉和閘流量等問題。消能設(shè)計(jì)工作較為復(fù)雜，涉及內(nèi)容較廣，設(shè)計(jì)條件好壞是是消能設(shè)計(jì)中主要考慮的問題之一。在具體的消能設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要保證科學(xué)計(jì)算閘下消力池水力情況后，可能出現(xiàn)計(jì)算深度異常問題，但并非是深度過大，而是難以滿足預(yù)期消能目標(biāo)。通過大量的實(shí)踐研究分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致水工建筑物的消能設(shè)計(jì)效率偏低的原因表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）上有洪水流量和下游潮位變化較快，相應(yīng)的導(dǎo)致過閘水流水位和流量隨之變化。在消能設(shè)計(jì)中，如果設(shè)計(jì)人員考慮不全面，或是簡單的設(shè)定一個上下游水位，可能出現(xiàn)消力池計(jì)算失誤問題。（2）下游水位較低情況下，如果僅僅考慮閘門開度和啟閉順序，未能合理分析下有水面曲線，同樣可能導(dǎo)致消能效果處于一個較低水平。（3）未能充分結(jié)合工程情況，設(shè)置相配套的消力墩，可能在后續(xù)工程投入使用中出現(xiàn)水躍問題。

（二）消能設(shè)計(jì)控制對策

就消能池來看，主要有綜合式消力池、挖探式消力池和尾坎式消力池幾種類型。消力池深度和池底高程設(shè)計(jì)中，需要綜合考量消力池上下游水位和流量，在把握工程相關(guān)地質(zhì)條件基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定。但同時，可能出現(xiàn)池深結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值問題，理論上可以不設(shè)置消力池，但是工程具體施工中，條件允許情況下仍然需要設(shè)置1m左右的消力池，主要是起到穩(wěn)定水躍位置的作用，動態(tài)調(diào)整消力池流速分布情況，實(shí)現(xiàn)消能目的。

水平護(hù)坦方面，由于并未出現(xiàn)水躍現(xiàn)象，所以需要設(shè)置較長的消力池，但是這種結(jié)構(gòu)難以滿足當(dāng)前消力池泄流量需要，所以在工程施工中很少應(yīng)用。如果是選擇挖深式消力池，可能會出現(xiàn)強(qiáng)迫水躍現(xiàn)象，較之自由水躍而言時間更短，但是穩(wěn)定性也將隨之提升。

工程消能控制設(shè)計(jì)中，本閘主要是在平原地區(qū)，河床抗沖刷能力較小，所以選擇底流式消能設(shè)計(jì)，采用全開宣泄洪水，無須消能處理。閘前為正常高水位1.8m，布局開啟閘門，宣泄流量較小，下游水位不高，流速較大，在這樣的沖刷作用下逐漸形成沖刷河床現(xiàn)象，需要借助相應(yīng)的消能裝置予以解決，確保無論高度多少情況下都可以淹沒式水躍消能。采用閘前水深為2.4m時，閘門局部開啟，為消能防沖設(shè)計(jì)提供良好的控制條件。與此同時，為了可以有效降低工程造價(jià)，確保水閘安全運(yùn)行，需要嚴(yán)格遵循閘門操作規(guī)程，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，開啟度組合計(jì)算，尋找合理的消力池控制條件，合理計(jì)算后尋求降低工程造價(jià)的條件，但同時避免消力池過深，影響到消能效果。

（三）消力池底板厚度確定

消力池底板也可以將其稱之為護(hù)坦，需要承受高速水流沖刷力，同時還需要承擔(dān)起頂托作用。消力池底板可以在地板范圍內(nèi)產(chǎn)生小范圍的水躍，盡可能避免沖刷作用下形成河床沖刷現(xiàn)象。水工建筑中的消力池底板厚度需要充分滿足抗浮要求和抗沖要求，抗沖力主要是取決于底板表面水流沖擊力，而抗浮則受到閘基滲透揚(yáng)壓力決定。由于兩種壓力所屬性質(zhì)不同，所以選擇的分析方法同樣存在明顯的差異。

結(jié)合具體的抗沖刷要求，結(jié)合沖量原諒來確定底板厚度。消力池底板首位厚度設(shè)計(jì)不合理，一般情況下首末端底板厚度為2：1，結(jié)合抗浮實(shí)際要求，如果選擇同等厚度的消力池底板局限性較大，將嚴(yán)重影響到消力作用。故此，為了能夠有效提升消能效果，應(yīng)該盡可能在消力池斜坡末端有效控制水躍，促使斜坡?lián)P壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他區(qū)域的揚(yáng)壓力，尤其是首端。所以，一般情況下消力斜坡段底板厚度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平坦區(qū)域。

消力池底板厚度設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，具體主要包括兩個方面，結(jié)合抗沖要求來確定底板厚度，然后結(jié)合抗浮要求復(fù)核底板穩(wěn)定性。選擇較大值，最終確定底板的厚度。

結(jié)論：

綜上所述，在水工建筑物消能設(shè)計(jì)中，需要充分提高對消能設(shè)計(jì)重視程度，深入剖析消能設(shè)計(jì)中存在的不利因素，尋求合理的控制措施予以實(shí)踐，同時提升設(shè)計(jì)人員的專業(yè)能力，綜合考量消能設(shè)計(jì)內(nèi)容，確保工程原有作用充分發(fā)揮。

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