水閘消能防沖優(yōu)化設(shè)計(jì)

于軍濤

(開封市汴龍勘察設(shè)計(jì)中心，河南 開封475000)

1 工程背景

某水閘位于我國南部城市，其主要建筑物為三級，擋水寬度和總凈寬分別為450 m和335 m，水閘運(yùn)行過程中主要擔(dān)負(fù)著泄洪蓄水、保證河道行洪安全的重要作用。水閘樞紐下游段主要為感潮河段，閘基底板處地質(zhì)條件由上而下分別為中粗砂、淤泥質(zhì)砂、粘土和雜卵礫石。水閘過流動能較大，為避免下游河道造成沖刷破壞，甚至影響水閘、消力池和護(hù)坦運(yùn)行安全，必須在消能防沖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上采取恰當(dāng)措施。為進(jìn)行水閘消能防沖設(shè)計(jì)，文章主要進(jìn)行了水工斷面模型試驗(yàn)分析，閘門開度分別按照0.25 m、0.50 m、0.75 m、1.00 m、1.25 m、1.50 m設(shè)計(jì)。

2 水閘消能防沖優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 消能方式的選擇

水閘消能防沖方式包括面流消能、挑流消能和底流消能等。面流消能主要借助設(shè)置在溢流堰末端的跌坎，將溢流堰頂下泄的水流導(dǎo)流至下游水流表面，并使其在跌坎周圍水流和河床間形成翻滾之勢以消耗部分能量，對于下游水深大、變幅小的情況較為適用；挑流消能主要通過挑流鼻坎將水流挑起并拋至空中，并利用空氣勢能及下游水墊達(dá)到消能的目的，且對下游地質(zhì)條件有較高要求；底流消能即利用設(shè)置在泄流建筑物下游的消力池、消力坎等輔助性水工建筑物，使水流發(fā)生水躍后通過其內(nèi)部摩擦、撞擊、摻氣等過程達(dá)到能量消耗的目的，且對于大流量、低水頭較為適用。該水閘因上游水頭低，下游水位隨潮位表現(xiàn)出明顯變化，且其河床主要為抗沖刷能力較低的砂基，所以采用底流消能措施。在消能方式確定的基礎(chǔ)上，必須根據(jù)水閘調(diào)度原則進(jìn)行其消能防沖設(shè)計(jì)。

2.2 消能防沖優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 水閘消能防沖設(shè)計(jì)原則

結(jié)合水閘運(yùn)行實(shí)際，上下游水位、泄洪方式及過閘流量等均復(fù)雜多變，所以，水閘下游消能防沖設(shè)計(jì)必須在充分考慮可能的水力條件下滿足水流均勻擴(kuò)散和動能消散的目的。

首先，出閘水流因具有較大流速和強(qiáng)烈的紊動，必須進(jìn)行下游消能處理。平原地區(qū)水閘通常水頭較低，且河道土質(zhì)抗沖能力小，下游水位變化大，故通常采用底流消能設(shè)計(jì)；其次，下游所設(shè)置的消力池等消能水工設(shè)施必須在可能的工況下滿足水躍共軛水深方面的要求，并應(yīng)充分重視過閘水流在下游所形成水躍對河道的沖刷，采取必要措施；最后，加強(qiáng)水閘閘門控制運(yùn)用，若控制運(yùn)用不當(dāng)，則必將產(chǎn)生集中性水流、折沖水流等不良流態(tài)，引發(fā)水工建筑物沖刷破壞。

根據(jù)水閘上游正常蓄水位，當(dāng)水閘內(nèi)水位在正常蓄水位以下時，水閘閘門關(guān)閉擋水，并維持高水位；而當(dāng)水閘內(nèi)水位比正常蓄水位及閘外水位高時，應(yīng)逐步開閘泄水，確保水閘安全；當(dāng)水閘內(nèi)水位低于閘外水位時，應(yīng)關(guān)閉閘門擋潮。

2.2.2 分區(qū)消能設(shè)計(jì)

該水閘泄水分區(qū)及下游消力池設(shè)置存在以下兩種方案：

方案一：水閘泄水不分區(qū)，且按常規(guī)方式進(jìn)行消能防沖計(jì)算。按照每檔0.25 m的高度進(jìn)行閘門啟閉分檔，在上游來水的工況下隨著來水量的增大逐步開啟水閘，最后達(dá)到設(shè)計(jì)開度泄流。

方案二：水閘分三區(qū)泄水。8#～20#中間孔設(shè)置為Ⅱ區(qū)先啟孔，1#～7#和21#～28#兩側(cè)孔分別設(shè)置為Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)后啟孔。在上游來水工況下，閘門中間孔優(yōu)先開啟，隨著來水量的增大，兩側(cè)邊孔開啟至0.25m的第一開度，若來水繼續(xù)增大，則應(yīng)將兩側(cè)邊孔開度增大至1.50 m，并待泄流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后將兩側(cè)邊孔開至1.00 m運(yùn)行。如此循環(huán)處理，直至全部泄水孔在流量2 000 m3/s以下時均開啟至2.50 m運(yùn)行。最后當(dāng)流量增大至2 000 m3/s以上時，應(yīng)將所有閘門全部開啟泄流。水閘閘門調(diào)度安排具體見表1。

表1 水閘閘門調(diào)度安排表

3 消能防沖計(jì)算

針對以上所提出的兩種閘門控制運(yùn)用方式分別進(jìn)行消能防沖計(jì)算。

3.1 泄流能力及上游壅高校核

水閘單孔凈寬14.00 m，閘檻高程-1.00 m，按照水閘設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行攔河閘泄洪能力和水位壅高的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見表2，根據(jù)表中結(jié)果可以看出，該水閘在不同頻率洪峰流量宣泄的過程中，上游水位壅高均低于0.30 m，滿足規(guī)范相關(guān)規(guī)定，也表明攔河閘方案合理。

表2 攔河閘泄洪能力和水位壅高的計(jì)算結(jié)果表

3.2 閘下水流銜接及消能防沖

該水閘工程不同頻率洪水宣泄的過程中，水閘應(yīng)處于閘門全開狀態(tài)，閘門上下游水位差均在0.30 m范圍內(nèi)，且水流呈現(xiàn)出從緩流平順過渡至緩流的流態(tài)，無需進(jìn)行消能處理。但在最不利工況下單寬流量和閘門上下游水位差均增大，并伴隨出現(xiàn)出閘水流能量最大的情況。所以泄流時必須針對具體工況進(jìn)行消能防沖控制尺寸的確定。根據(jù)閘門下游河床高度進(jìn)行消力池尾坎高程確定，以最不利工況下歷年水位最低值作為消能下游的初始水位，并以低一級閘門開度泄流后下游水位穩(wěn)定值進(jìn)行各級閘門開度消能計(jì)算。底板厚度、消力池尺寸、海漫長度等按照規(guī)范所規(guī)定公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：

底板厚度、消力池尺寸、海漫長度等參數(shù)的控制并不屬于同一工況，必須針對不同工況進(jìn)行消能防沖具體尺寸的確定。本文所提出的分區(qū)消能設(shè)計(jì)方案一全部泄水孔所對應(yīng)的消力池最大深度為0.93 m，長度13.85 m，底板厚0.61 m，海漫長度最大值32.35 m。方案二中間Ⅱ區(qū)先啟孔消力池深度最大值為0.93 m、長度為13.05 m，底板厚0.60 m，海漫長32.35 m；兩側(cè)Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)后啟孔無須設(shè)置消力池，護(hù)坦段最大長度13.40 m，底板厚0.60 m，海漫長32.35 m。以水閘泄流過程中產(chǎn)生水躍的單寬流量最大值為消力池長度設(shè)計(jì)流量，當(dāng)來水量增大至設(shè)計(jì)流量后應(yīng)開啟后啟孔泄流，并適當(dāng)減小消力池尺寸和海漫長度。

當(dāng)下游水位處于較低工況時，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)開度和啟閉次序控制閘門運(yùn)行，以防止因泄流流態(tài)不穩(wěn)而引發(fā)折沖水流，導(dǎo)致水閘建筑物沖刷受損。

4 消能防沖方案選擇

從開挖、混凝土及鋼筋工程量，消力池深、消力池底板厚、消力池水平段長及總投資等角度進(jìn)行該水閘兩種消能防沖方案的比較，具體見表3。通過比較結(jié)果可以看出，方案二由于在閘孔不增設(shè)消力池而只設(shè)置護(hù)坦，所以擋墻工程量和地基開挖量少，所以在施工工期和投資等方面具有顯著優(yōu)勢。而且其分區(qū)啟閉設(shè)計(jì)能在上下游水位差較大時及時開閘泄流，減少對河床兩岸的沖刷破壞。

表3 水閘消能防沖方案的比選表

雖然方案二閘門設(shè)計(jì)復(fù)雜，但是閘門控制運(yùn)用得當(dāng)，能有效避免集中水流及折沖水流等不良流態(tài)對水工建筑物的沖刷破壞，泄洪及消能防沖效果好，所以選擇方案二閘門控制方式。

5 結(jié)論

綜上所述，水閘消能防沖設(shè)計(jì)中必須充分考慮單寬流量、泄流方式及水位差等水力條件，并應(yīng)通過水閘調(diào)度方式的選擇保持水閘分區(qū)設(shè)計(jì)和水閘調(diào)度的協(xié)調(diào)性。水閘消能防沖設(shè)計(jì)方面控制工況并非為流量較大的設(shè)計(jì)洪水或校核洪水，而應(yīng)當(dāng)根據(jù)水閘調(diào)度實(shí)際對多種工況進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，保證消能防沖設(shè)計(jì)的合理性。運(yùn)行結(jié)果表明，該水閘泄水分區(qū)設(shè)置及閘門控制方式的選擇對于消除過閘水流具有的較大動能，保證出閘水流和下游河道流態(tài)順利銜接具有積極作用。