淺談水閘工程中的消能防沖計算

陳 杰

（上海嘉定水務工程設計有限公司，上海市201800）

0 引言

水閘是一種調節(jié)水位、控制流量，既擋水又泄水的低水頭水工建筑物。水閘主要依靠閘門控制水流，具有擋水和泄（引）水的雙重功能，在防洪、治澇、灌溉、供水、航運、發(fā)電等方面有著廣泛的應用。

為保護水閘下游河床免受沖刷，需采取必要的消能防沖措施。水閘的消能方式，一般采用底流式水躍消能。其主要消能結構為消力池，在池中利用水躍消能。海漫段緊接在消力池之后，繼續(xù)消除水流余能，使水流擴散并調整流速分布，減少底部流速，保護下游河床免受沖刷。防沖槽設置在海漫段末端，主要作用是保護海漫段的安全。

消力池、海漫段、防沖槽等消能防沖設施的設計離不開消能防沖計算?，F(xiàn)以“嘉定蕰藻浜以南地區(qū)近期引水調度工程”中的鹽鐵塘泵閘為例，對水閘消能防沖計算的內容作簡要介紹。

1 項目概況

上海嘉定蕰藻浜以南地區(qū)，位于嘉定區(qū)的最南端，西北以蕰藻浜為界，南依蘇州河，東臨中槎浦和新槎浦，區(qū)域總面積約100.36km2。“嘉定蕰藻浜以南地區(qū)近期引水調度工程”共新建控制工程21座，其中泵閘8座，節(jié)制閘13座。工程建成后，該區(qū)域可形成獨立的水資源調度系統(tǒng)，近期采用“北排蕰藻浜，南引蘇州河”的引水調水模式，形成南北向定向流動，增加河網(wǎng)水動力，提高河道自凈能力。中遠期，還可以通過流域綜合調度，利用該工程引入長江水，進一步提升蕰藻浜以南地區(qū)河道水質，并為蘇州河提供清水源。此外，引調度區(qū)工程可有效提高整個蕰藻浜以南地區(qū)防汛除澇能力。該區(qū)建成后，汛期可通過泵閘工程調度，有效控制內河水位，達到擋洪除澇的目的，確保該區(qū)域的水安全。

鹽鐵塘泵閘位于蕰藻浜一線，泵站設計流量30m3/s，水閘凈寬8m。水閘主要功能為防洪擋水、引水及排水。閘門為升臥式平板鋼閘門，采用卷揚式啟閉機。水閘底坎高程-1.00m，消力池首端及末端寬度均為8m。泵閘所在河道河口寬55m，河底高程-1.00m。

2 基礎資料

2.1 特征水位

嘉定蕰藻浜以南地區(qū)屬上海市水利分片中的“嘉寶北片”。根據(jù)《嘉定蕰藻浜以南地區(qū)近期引水調度規(guī)劃》，鹽鐵塘泵閘內外河特征水位如下：

2.1.1 內河（引調度區(qū)）水位

防洪高水位3.87m，最高控制水位3.50m，常水位2.60～2.80m，排澇預降水位2.00m。

2.1.2 外河（蕰藻浜）水位控制最高水位3.87m，常水位2.60～2.80m，控制最低水位2.00m。

2.2 地質概況

鹽鐵塘泵閘位于嘉定區(qū)安亭鎮(zhèn)，根據(jù)地勘資料，其勘察35.00m深度范圍內所揭露的土層為全新世Q4的濱?！涌?、濱海～淺海、濱海、沼澤、溺谷，晚更新世Q3河口～湖澤、河口~濱海、濱?！珳\海相沉積物，根據(jù)地基土的成因、成分、結構分層。該工程共分出8個主要工程地質層及分屬不同工程地質層的亞層。

該工程河道岸坡位于②1層灰黃色粉質黏土、③1層灰色淤泥質粉質黏土，其土層特征如下：

②1層灰黃色粉質黏土，可塑，含氧化鐵斑點、夾鐵錳質結核，搖振反應無，韌性中等、干強度中等、稍有光澤，由上至下逐漸變軟。層位穩(wěn)定，厚填土區(qū)缺失。

③1層灰色淤泥質粉質黏土，流塑，含云母、夾粉砂，搖振反應無，韌性中等、干強度中等，稍有光澤。層位穩(wěn)定，全場地分布。

3 消能防沖計算

3.1 水位組合

根據(jù)水閘功能定位，按正向（排水）及反向（引水）劃分，選取四個工況進行消能防沖計算，詳見表1所列。

表1 鹽鐵塘泵閘消能防沖計算水位組合表

3.2 河道不沖流速及允許流量

根據(jù)勘察報告，該工程河道岸坡位于②1層灰黃色粉質黏土、③1層灰色淤泥質粉質黏土。根據(jù)《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288—2018）附錄F[1]，當水力半徑R=1時，取河道的不沖流速V不沖=0.75m/s。當河道水力半徑R不等于1時，V不沖’=V不沖×Rα，α取1/4。經計算，不同工況下河道的計算不沖流速和允許流量見表2所列。

3.3 閘門開度及過閘流量

根據(jù)河道的計算不沖流速和允許流量確定各工況下閘門開度及過閘流量，計算方法參照《水閘設計規(guī)范》（SL265—2016）附錄A[2]，計算結果見表3所列。由計算結果可知，若閘門開度按3m控制，各工況下水閘的最大過閘流量均小于河道的允許流量，過閘流量可以滿足下游河道的防沖要求。

表2 河道不沖流速及允許流量計算成果表

表3 閘門開度及過閘流量計算成果表

3.4 消能防沖計算

以工況一為例簡述消能防沖計算過程，計算原理，以及式中各代表符號參照《水閘設計規(guī)范》（SL 265—2016）附錄B。

3.4.1 計算原理

（1）消力池深度計算公式：

（2）消力池長度計算公式：

（3）消力池底板厚度計算公式：

由于消力池內設有冒水孔，厚度可根據(jù)抗沖要求確定。

（4）海漫長度計算公式：

（5）海漫末端的河床沖刷深度計算公式：

3.4.2 消力池計算

（1）判別是否設置消力池。

上游水深H=3.5+1.0=4.5（m）下游水深h’s=2.6+1.0=3.6（m）。假設d=0，由此計算收縮水深hc=2.01m，躍后水深hc’’=4.08m＞3.60m，需設置消力池。

（2）池深試算。

出池落差ΔZ=0.32m，令σ0=1.05，消力池池深d=σ0hc''-hs'ΔZ=0.37m，取池深d=0.4m，T0=4.50+0.40=4.90m，同上計算得hc=2.31m，hc’’=3.63m，ΔZ=0.12m，，滿足要求，故消力池深d=0.4m。

（3）池長計算。

水躍長度Lj=6.9（hc''-hc）=9.10（m），消力池長度Lsj=Ls+βLj=0.4+0.8×9.10=7.78（m）

（4）池厚計算。

水閘閘孔泄水時的上、下游水位差ΔH'=3.5-2.6=0.9（m），消力池底板計算系數(shù)k1取0.15，抗沖厚度

3.4.3 海漫段長度計算

消力池末端單寬流量qs=15.28m3/s，ΔH'=0.9m，經計算滿足要求。

根據(jù)地質勘察報告，河床土質為③1層灰色淤泥質粉質粘土，取海漫段長度計算系數(shù)Ks=10，計算得海漫長度

3.4.4 河床沖刷深度計算

海漫段末端單寬流量qm=2.22m3/s，河床土質允許不沖流速 [v0]=0.50m/s，海漫末端河床水深hm=3.60m，計算得海漫末端河床沖刷深度dm=

3.4.5 計算結果

同理，對工況二、工況三、工況四進行計算，消能防沖計算結果見表4所列。

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3.4.6 消能防沖設施布置

根據(jù)消能防沖計算結果，鹽鐵塘泵閘內外河消力池深度均取為0.40m，消力池長度均取為10m，消力池厚度均取為0.8m。內外河海漫段長度均取為40m，內外河防沖槽深度均取為1.50m。

4 結語

消能防沖設施作為水閘工程的重要組成部分，本文結合工程實例簡要介紹了水閘的消能防沖計算。計算時，應首先分析可能出現(xiàn)的開閘工況；其次分析各工況下水閘所在河道的允許過流能力，根據(jù)河道允許過流能力確定閘門最大開度及最大過閘流量；最后，再進行消能防沖計算并依據(jù)計算結果確定消力池、海漫段、防沖槽的結構尺寸。