兩級(jí)消力池在廢黃河分洪道工程中的應(yīng)用

唐 波佘 磊葉 露

江蘇省宿遷市境內(nèi)古黃河分洪道承擔(dān)的任務(wù)是洪水期將地勢(shì)較高的古黃河流域洪水分泄到相對(duì)低洼的平原河道內(nèi)，進(jìn)而流入洪澤湖中。洪水下泄時(shí)因地勢(shì)存在跌差，水流落差大、泄洪流量大、土質(zhì)抗沖性差等特點(diǎn)，對(duì)水位銜接建筑物提出了更高的要求。此時(shí)，在銜接建筑物中設(shè)置兩級(jí)消力池可以很好地引導(dǎo)水流、適應(yīng)地形，同時(shí)改善下泄水流沖刷河道的問題。而兩級(jí)消力池的計(jì)算方法卻很少在公開文獻(xiàn)上有記載。本文結(jié)合宿遷市五河分洪道中的落差建筑物五河跌水設(shè)計(jì)，介紹兩級(jí)消力池的布置和水力計(jì)算，以期為同類工程設(shè)計(jì)提供參考。

一、工程概況

該工程位于宿遷市宿城區(qū)倉集鎮(zhèn)境內(nèi)，五河分洪道穿越老黃河大堤節(jié)點(diǎn)處。該節(jié)點(diǎn)上游地面平均高程22.0m（廢黃河高程系，下同），下游17.5m，高差達(dá)4.5m，設(shè)計(jì)水位差4.24m，為保障泄洪水流流態(tài)穩(wěn)定，銜接順暢，擬在該處新建銜接建筑物。另外節(jié)點(diǎn)上游河道有生態(tài)蓄水要求，要求該建筑物具有蓄水功能。

根據(jù)規(guī)劃，五河跌水規(guī)劃正常蓄水位為18.55m，相應(yīng)下游水位為13.50m；10年一遇分洪設(shè)計(jì)流量為112m3/s，20年一遇行洪校核流量為113m3/s，對(duì)應(yīng)的水位分別為19.74m、19.75m。

二、消能方案選擇

根據(jù)地形、地質(zhì)條件，選擇兩種消能工況形式進(jìn)行比較，分述如下：

1.三級(jí)跌水消能

該方案由控制段及消能段兩部分組成，控制段采用等寬薄壁堰，消能采用三級(jí)跌水結(jié)構(gòu)。薄壁堰為1孔，總寬為30m，堰高2.7m，堰頂高程18.55m，堰底高程同河底高程為15.85m。薄壁堰后接第一級(jí)跌水，跌差2.3m，跌水消力池長(zhǎng)11.6m，后接尾坎高0.8m，尾坎寬2.6m；第二級(jí)跌水跌差為2.3m，消力池長(zhǎng)13.1m，后接尾坎高0.9m，尾坎寬2.7m；第三級(jí)跌水跌差2.58m，后接挖深式消力池，池深50cm。第三級(jí)跌水后接25m長(zhǎng)海漫，海漫后接拋石防沖槽。結(jié)構(gòu)見圖1（圖中尺寸標(biāo)注單位為mm，高程單位為m，下同）。

2.兩級(jí)連續(xù)消力池消能

該方案由控制段和下游連接段組成。控制段采用WES實(shí)用堰控制水流，堰寬36.90m，堰頂高程為18.55m，底板采用空箱式底板，底板頂高程為15.85m，底板底高程為13.05m，空箱高度為1.50m?？刂贫雾?biāo)飨蜷L(zhǎng)13.00m，垂直水流向?qū)?8.50m。下游連接段設(shè)消力池、海漫和防沖槽。消力池為兩級(jí)連續(xù)式消力池。第一級(jí)消力池長(zhǎng)12.00m，池頂高程為13.85m，末端坎頂高程為14.85m，坎頂寬4.00m；第二級(jí)消力池長(zhǎng)30.00m，其中斜坡段坡比為1∶4，長(zhǎng)15.00m，池頂高程為11.10m，末端坎頂高程為12.10m。消力池末端設(shè)置海漫，海漫為平底坡，海漫首部設(shè)消力坎，海漫末端設(shè)置防沖槽，結(jié)構(gòu)見圖2。

3.兩方案對(duì)比

圖1 方案1結(jié)構(gòu)示意圖

從工程經(jīng)濟(jì)性角度分析，方案1使用混凝土量和鋼筋量略少，經(jīng)濟(jì)性占優(yōu)；從工程結(jié)構(gòu)性角度分析，方案2流態(tài)更平穩(wěn)，構(gòu)筑物之間銜接緊密順暢，方案2略優(yōu)；工程施工角度，方案1二三級(jí)跌水施工開挖時(shí)，對(duì)相鄰構(gòu)筑物基礎(chǔ)影響較大，地基處理難度大，防滲范圍內(nèi)止水處理難度大、維修困難。綜上所述，該工程使用方案2。

三、兩級(jí)消力池設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)步驟

首先是確定消能工況的水位、流量等設(shè)計(jì)參數(shù)。其次是按單級(jí)下挖式消力池，計(jì)算消力池深度。再次是根據(jù)地形地貌，初步擬定第一級(jí)消力池深度。第四步，根據(jù)水力計(jì)算公式計(jì)算消力池各部位尺寸。

2.水力計(jì)算

（1）確定消能設(shè)計(jì)工況

該工程控制段為WES實(shí)用堰，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)泄流量為分洪最大流量時(shí)，對(duì)應(yīng)下游河道常水位作為消能最不利工況。WES實(shí)用堰過流量計(jì)算公式如下：

v0—行近流速，0.78m/s；

m—自由溢流的流量系數(shù)，取0.51；

σc—側(cè)收縮系數(shù)，取1.0；

σs—淹沒系數(shù)，取1.0；

B—實(shí)用堰寬度，m；

Q—過流量，m3/s。

經(jīng)計(jì)算，消能工況時(shí)，實(shí)用堰過流量為114m3/s，單寬流量為3.09m3/s。

（2）單級(jí)消力池深度計(jì)算

若設(shè)置單級(jí)下挖式消力池，按下述公式計(jì)算確定：

式中：d—消力池深度，m；

hc—收縮水深，m；

hc"—躍后水深，m

α—水流動(dòng)能校正系數(shù)，可采用 1.0～1.05；

q—過閘單寬流量；

b1—消力池首端寬度，m；

b2—消力池末端寬度，m；

T0—消力池底板頂面算起的總勢(shì)能，m；

ΔZ—出池落差，m；

hs'—出池河床水深，m。

經(jīng)計(jì)算，若設(shè)置單級(jí)下挖式消力池，池深為5.15m，當(dāng)計(jì)算消力池深度超過3.0m時(shí)，如采用一級(jí)消能，消力池的工作條件十分惡劣，不僅消力池中的流速和脈動(dòng)壓力顯著增大，而且消力池池底揚(yáng)壓力也很大，消力池的穩(wěn)定性問題需慎重對(duì)待，處理不好甚至?xí)绊戦l室和邊墻地基的穩(wěn)定。為此該工程堰下采用二級(jí)消能方案，第一級(jí)消力池底高程根據(jù)地形擬定為13.85m。第一級(jí)消力池采用消能坎式，第二級(jí)為下挖式消力池。

（3）第一級(jí)消力池水力計(jì)算

第一級(jí)消力池計(jì)算主要確定第一級(jí)消力池長(zhǎng)度、尾端消力坎的高度和消力坎頂寬。計(jì)算原理是在消力池內(nèi)水流形成淹沒式水躍。為此首先確定消力池末端下游水深，即確定消力坎頂?shù)乃^；在同樣的水躍條件下，消力坎頂?shù)乃^越高越容易形成淹沒水躍，因此消力坎斷面型式要求在過流量相同的情況下，可以有最大的雍水高度，即選擇消力坎坎頂堰流的流量系數(shù)最小的堰型，作為消力坎的斷面型式，根據(jù)計(jì)算手冊(cè)流量系數(shù)最小的堰型為寬頂堰，因此確定消力坎堰頂?shù)难咝蜑閷掜斞摺８鶕?jù)寬頂堰的過流公式及堰型確定條件計(jì)算堰頂水頭及堰頂寬度。計(jì)算公式如下：

圖2 方案2結(jié)構(gòu)示意圖

式中：b—消能坎的寬度；

m—過坎水流流量系數(shù)，可取m=0.42。

式中：δ—堰頂寬，m；

H—堰頂水頭，m。

坎高按下式計(jì)算：

式中符號(hào)意義同前。

消力池長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

Lj=6.9（hc"-hc）

式中：Lj—水躍長(zhǎng)度，m。

（4）第二級(jí)消力池水力計(jì)算

計(jì)算公式參照一級(jí)消力池計(jì)算，只是總水頭計(jì)算時(shí)，上游水頭按照第一級(jí)消力坎坎頂水頭作為下游計(jì)算的總水頭。其余計(jì)算方法同前。

經(jīng)計(jì)算，并結(jié)合地形確定堰下第一級(jí)消力池長(zhǎng)12.00m，厚度為0.60m，消力坎高1.00m，坎頂寬4.00m，滿足要求。第二級(jí)消力池深1.00m，池長(zhǎng)15.00m，厚度為0.6m，滿足要求。

四、結(jié)語

兩級(jí)消力池的水流流態(tài)雖然復(fù)雜，但仍然是遵守目前水力學(xué)規(guī)律的，可按照現(xiàn)有水力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算。該工程中設(shè)置兩級(jí)消力池，不僅有效地保證了消能效果，并且更好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)地形布置要求。二級(jí)消力池沒有統(tǒng)一的型式，可因地制宜布置，滿足工程的經(jīng)濟(jì)技術(shù)要求