坎式消力池在水閘除險加固工程中的應用及水力計算

許有為，何鐵炎

（湖南省水利水電勘測設(shè)計規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

1 工程概況

甘溪橋水閘位于瀘溪縣洗溪鎮(zhèn)甘溪橋村境內(nèi)，設(shè)計灌溉面積為2.3 萬畝、現(xiàn)總裝機容量為1.02 萬kW（原總裝機容量為8 200 kW），保護下游農(nóng)田12 萬畝、人口26 000 人，設(shè)計過閘流量為6 960 m3/s，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益的大型攔河水閘。

樞紐建筑物主要由泄洪閘、非溢流壩、發(fā)電廠房等組成，壩軸線全長182.2 m。本次除險加固設(shè)計洪水、消能防沖標準為50 年一遇（P=2%），校核洪水標準為200年一遇（P=0.5%）。正常蓄水位為127.20 m，設(shè)計洪水位為131.70 m，校核洪水位為134.20 m。

2 消能工現(xiàn)狀和存在的問題

溢流閘壩為低堰閘壩型，泄洪閘共8 孔，孔口為10 m×9 m（寬×高），設(shè)鋼質(zhì)弧形閘門。下游原狀為坎式消力池，坎高2.20 m，池長26.85 m。由于泄流沖刷，消力坎已損毀，并在消力池中部及其下游形成一個深4 m、寬50 m、長80 m 的沖刷坑。

閘壩下游巖體為白堊系泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖，抗風化能力弱，且淺部存在一定厚度的強風化巖體，抗沖流速為（4～5）m/s。

閘壩下游消力池左岸為30 m 長的電站廠房側(cè)墻，側(cè)墻頂高程約135 m。閘壩下游右岸岸頂為公路，高程約134 m；消力池右岸為較陡的人工砌石邊坡，局部存在夾層。

3 消能工除險加固方案的擬定

甘溪橋水閘的消力池需要拆除重建，設(shè)計時進行了坎式消力池+下挖式消力池（圖1）和一級下挖式消力池（圖2）兩種方案的比選。

圖1 兩級消能工剖視圖（采用方案）

圖2 一級消能工剖視圖（比選方案）

圖中 hc——收縮水深（m）；

hc″——躍后水深（m）；

hs——下游水深（m）；

T——池首總勢能（m）；

Δz——出池落差（m）；

d——消力池深度（m）；

c——消力池坎高（m）；

H10——坎頂全水頭（m）。

據(jù)計算，兩級消能方案投資1 337.99 萬，比一級消能方案投資高50.13 萬。但是，水閘下游左岸為電站廠房側(cè)墻，水閘下游右岸為漿砌石高邊坡?lián)鯄?，水閘下游基礎(chǔ)為巖基，巖基大開挖需要進行爆破，容易破壞水閘原有建筑物的穩(wěn)定。兩級消能方案更契合現(xiàn)狀地形，一級采用坎式消力池，巖基開挖較少，施工對兩岸原有擋墻和上游閘室穩(wěn)定幾乎無影響，二級下挖式消力池利用原有的沖刷坑，巖基開挖也較小。綜合考慮后，最終采用造價略高、但安全性更好、施工更加便利的兩級消能方案。

4 消能工水力計算方法

4.1 是否需要設(shè)置消能工的判別

水閘上游總勢能T1=H0+α×V02/2 g，下游為天然河床時，對水閘開啟1～n 孔的各種運行工況進行水力計算，當m-1 孔全開（m＜n）時，hc1″＞hs（下游為遠驅(qū)式水躍），且m 孔全開時，hc1″＜hs（下游為淹沒式水躍），則判定水閘至少需設(shè)置m 孔消力池。

4.2 一級坎式消力池水力計算參數(shù)的選定

水閘上游總勢能T1=H0+α×V02/2 g，下游為天然河床，設(shè)置不同的閘門開啟孔數(shù)和開啟高度，算出相應的下泄流量，查下游天然河道水位-流量關(guān)系曲線得出不同下泄流量對應的下游水位。然后根據(jù)相關(guān)公式求解出不同工況所需的池長和坎高，取最大池長和最大坎高組合得出初擬的一級消力池的池長L1和坎高c1。

4.3 坎后是否需要設(shè)置第二級消力池的判別

坎式消力池后接天然河床時，仍須復核坎后的水流流態(tài)。對照圖1，可將消能坎當作溢流堰，按堰流公式計算出坎頂全水頭H10，坎后余能E1=c+H10+（114.5-113.5），然后依照4.1 節(jié)的判別方法，判定坎后是否需要加設(shè)第二級消力池。

4.4 第二級消力池水力計算參數(shù)的選定

在坎式消力池后，第二級消力池選擇下挖式消力池，池首總勢能T2=c1+H10+d1，然后根據(jù)相關(guān)公式求解出不同工況下二級消力池所需的池長和池深，取最大池長和最大池深組合得出初擬的二級消力池的池長L2和池深d1。

4.5 復核修正消力池尺寸直至計算閉合

初步擬定第二級消力池的池深d1后，一級坎式消力池后銜接的不再是天然河床，須求解出新的坎上水位-流量關(guān)系曲線，根據(jù)新的坎上水位復核并修正一級坎式消力池的坎高為c2。將c2代入二級消力池計算，此時池首總勢能T3=c2+H10+d2，計算出二級消力池新的池長L3和池深d2。再次求解坎上水位-流量關(guān)系曲線，之后計算步驟同上，不斷復核修正消力池的尺寸，直至兩級消力池的池長、坎高、池深計算閉合，最終確定兩級消力池的尺寸。

4.6 主要采用的公式

相關(guān)水力計算公式詳見《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2016）和《水力計算手冊第二版》，在此不再贅述。

5 甘溪橋水閘除險加固工程的消能工水力計算

5.1 判別需要設(shè)置幾孔消力池

對泄洪閘閘門1 孔全開至8 孔全開的運行工況進行水力計算（按最不利邊界：水流未考慮橫向擴散），計算成果見表1。從表1 可知，5 孔全開后，繼續(xù)開啟其余閘門，躍后水深hc″均小于下游水深hs，下游形成淹沒式水躍，因此，判定本閘至少需設(shè)置5 孔消力池?？紤]到水閘下泄水流的流態(tài)較為復雜，結(jié)合工程現(xiàn)狀和運行管理經(jīng)驗，最終決定設(shè)置8 孔消力池。

表1 水閘泄洪下游流態(tài)計算成果表

對泄洪閘閘門1 孔單開至8 孔全開的各種運行工況進行計算（按最不利邊界：水流未考慮橫向擴散），坎式消力池的計算成果為：坎高最大計算值為2.70 m（4 孔閘門同時開啟2 m 高度），池長最大計算值為26.59 m（5 孔閘門同時開啟4 m 高度）。根據(jù)計算成果，初步擬定一級消力池尺寸：坎高2.70 m，池長27 m。

5.2 判別是否需要設(shè)置第二級消力池

設(shè)置坎式消力池后，仍須復核坎后有無設(shè)置第二級消力池的必要性。計算結(jié)果見表2。

表2 坎后流態(tài)復核結(jié)果表

據(jù)計算，閘門開啟孔數(shù)不大于4 孔時，存在消力坎后的躍后水深hc″大于下游水深hs的工況，即坎后水流流態(tài)為遠驅(qū)式水躍，坎后余能仍然較大，由此判定設(shè)置第二級消力池是必要的。結(jié)合工程現(xiàn)狀和運行管理經(jīng)驗，最終決定設(shè)置8 孔二級消力池。

5.3 兩級消力池復核計算

根據(jù)計算成果，一級消力池尺寸為：坎高2.7 m，池長27 m。為保護水閘下游兩岸的建筑物，調(diào)整一級消力池尺寸為：坎高2.7 m，池長33 m。在此一級坎式消力池的基礎(chǔ)上，對各種運行工況進行水力計算，二級下挖式消力池的計算成果為：池深計算值最大為2.13 m（2孔閘門同時開啟9 m 高度），池長計算值最大為35.09 m（2 孔閘門同時開啟9 m 高度）。為了優(yōu)化設(shè)計，節(jié)約投資，可通過閘門調(diào)度以避開部分不利工況，達到減小二級消力池池深與池長的目的。擬定的調(diào)度方案如下：開閘泄洪時，首先將4、5 號孔同步開啟，當4、5號孔閘門開度達到3 m 后，將3、6 號孔同步開啟，將3、4、5、6 號孔閘門開度達到3 m 后，繼續(xù)開啟3、4、5、6號孔閘門至全開，再將2、7 號孔閘門同步開啟至全開，最后將1、8 號孔閘門同步開啟至全開。在此調(diào)度方案下，二級下挖式消力池計算成果為：池深最大計算值為1.90 m，池長最大計算值為27.04 m（2 孔閘門同時開啟3 m 高度）。根據(jù)計算成果，初步擬定二級下挖式消力池的池深為1.90 m，池長為27 m。

擬定第二級消力池的池深1.90 m 后，根據(jù)坎后新的下游水位-流量關(guān)系曲線，對一級坎式消力池的坎高進行復核并修正。根據(jù)反復核算，最終確定兩級消力池的尺寸為：一級坎式消力池的坎高為2.2 m，池長為33 m（為保護水閘下游兩岸的原有建筑物而延長）；二級下挖式消力池的池深為1.7 m，池長為25.5 m。

6 結(jié) 語

消能工采用坎式消力池時，必須判別坎后的水流流態(tài)，若坎后仍出現(xiàn)遠驅(qū)式水躍，則需要修建第二級消力池。本文就坎式消力池在甘溪橋水閘除險加固工程中的應用和水力計算進行了總結(jié)，可供類似工程參考。