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        汾河流域中游核心區(qū)液壓壩消能防沖計(jì)算分析

        2016-02-05 02:34:50崔攀
        山西水利 2016年10期

        崔攀

        (山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)

        汾河流域中游核心區(qū)液壓壩消能防沖計(jì)算分析

        崔攀

        (山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)

        以汾河流域生態(tài)修復(fù)中游核心區(qū)液壓壩消能防沖為例,計(jì)算并分析了不同壩高的泄流流量、消力池池深與池長(zhǎng)、消力池底板厚度及海漫長(zhǎng)度。結(jié)果表明:液壓壩受淹沒系數(shù)的影響,泄流流量隨壩降落呈先增大后減小分布;消力池消能率與收縮斷面處的弗洛德數(shù)正相關(guān),呈對(duì)數(shù)分布;鋼筋混凝土材料制作的消力池底板抗沖厚度略大于抗浮厚度要求;海漫長(zhǎng)度隨液壓壩壩高的增高而增長(zhǎng)。

        生態(tài)修復(fù);液壓壩;消能防沖;汾河流域

        1 工程概況

        汾河是山西省第一大河,黃河第二大支流,按河流特征分為上、中、下游三段。太原蘭村以上為上游地區(qū);蘭村至洪洞石灘為中游地區(qū),洪洞石灘至黃河口為下游地區(qū)。其中,中游段河道寬150~300m,河長(zhǎng)266.9km,流域面積20509km2,屬平原性河流;中游地勢(shì)平坦、土質(zhì)疏松,河谷沖積層深厚,河型蜿蜒曲折。

        本次“核心區(qū)”建設(shè)位于汾河太原以下段汾河二壩—三壩之間。主要任務(wù)是通過在河道內(nèi)設(shè)置蓄水閘壩,抬高河道水位,攔蓄洪水,為堤外蓄水濕地提供水源,同時(shí)河道內(nèi)形成蓄水水面,增補(bǔ)地下水,改善周邊生態(tài)環(huán)境。治理理念為恢復(fù)河道水域,蓄滯洪水,充分利用雨水資源,改善生態(tài)環(huán)境;增強(qiáng)地下水補(bǔ)給,抬升地下水位;增大河道水域面積,減緩洪水流速,提高防洪能力;同時(shí),通過增大水域面積,增強(qiáng)河道水質(zhì)的自然修復(fù)能力,改善水質(zhì)。

        此次治理段的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水。結(jié)合汾河中下游河道疏浚整治工程的總體布局、建設(shè)任務(wù)及堤外蓄水濕地的布置,在核心區(qū)共布設(shè)15座液壓壩,每個(gè)蓄水濕地蓄水量64萬(wàn)~123萬(wàn)m3,蓄水面積為16.17km2,總蓄水量1737萬(wàn)m3。根據(jù)蓄水量及規(guī)模,確定液壓壩等別為Ⅳ等4級(jí)。

        2 工況計(jì)算

        汾河生態(tài)修復(fù)中游核心區(qū)干流蓄水工程共有15座液壓壩,每座液壓壩均包括主壩及左右兩側(cè)副壩。其中,主壩位于河道主槽內(nèi),副壩位于主壩兩側(cè)的灘地上。副壩壩高均為2m,主壩有3.0m,3.5m,4.0m,4.5m,5.0m等5種壩高形式。根據(jù)1~15號(hào)液壓壩平面布置形式及運(yùn)行情況,液壓壩的泄流情況分兩種類型:一種是主壩及兩側(cè)副壩的泄流洪水分別流入各自下游消能防沖建筑物之內(nèi),經(jīng)各自海漫段后排入下游。另一種是兩側(cè)副壩下泄洪水全部匯入主壩,與主壩洪水匯合后,流入主壩消力池內(nèi),經(jīng)主壩海漫段后排泄到下游。

        考慮到液壓壩既是擋水建筑物又是泄水建筑物,每座液壓壩的主壩及副壩均應(yīng)計(jì)算立壩溢流和塌壩泄流運(yùn)行情況的消能、防沖。在立壩溢流情況下,堰上水頭看0.1m,0.2m,0.3m,0.4m,0.5m五種工況;在塌壩泄流情況下,不考慮行洪對(duì)堰前水位的影響,考慮堰上水頭為0.5m,閘門每降低0.5m為一個(gè)工況,直至閘門塌平。

        因此,在上述各運(yùn)行情況下,計(jì)算并分析各液壓壩主壩及副壩的泄流流量,下游水深,消力池池深與池長(zhǎng)、消力池抗沖厚度及抗浮厚度、海漫長(zhǎng)度,得出不同液壓壩壩高消能防沖特性,為類似工程的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

        3 計(jì)算結(jié)果

        3.1 過流能力計(jì)算

        液壓壩的過流能力采用堰流公式計(jì)算:

        式中:σ——淹沒系數(shù);

        ε——側(cè)收縮系數(shù);

        m——流量系數(shù);

        b——閘孔凈寬,m;

        H0——包括行近流速的堰前水頭,m。

        經(jīng)計(jì)算可知,在立壩溢流情況下,隨著堰上水頭的增加,流量也逐漸增大;考慮到液壓壩運(yùn)行安全,堰上最大水頭為0.5m,則在立壩溢流時(shí),該工況所對(duì)應(yīng)的流量值最大,為75.03m3/s。在塌壩行洪情況下,閘門初始降落時(shí),泄流量隨閘門降低而逐漸增大;當(dāng)閘門快塌平時(shí),下游水流形成淹沒流,淹沒系數(shù)變小,最流量影響較大,泄流量略有減小。

        3.2 消力池池深及池長(zhǎng)計(jì)算

        依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》消力池計(jì)算公式,計(jì)算各工況,得出如下結(jié)果,壩高不同,消力池池深及池長(zhǎng)差別較大:灘地壩高2.0m,消力池池深0.13m,池長(zhǎng)6.95m;主槽壩高分別為3.0m,3.5m,4.0m,4.5m,5.0m五種類型,計(jì)算所得主槽消力池池深為0.23~0.43m,池長(zhǎng)為11.18~13.87m。隨著液壓壩壩高增大,消力池池長(zhǎng)也在增大,消力池長(zhǎng)度主要由上下游水頭差而決定。消力池池深最大值所對(duì)應(yīng)的單寬流量比較大,消力池池深主要由單寬流量決定。立壩溢流的消能率基本上大于塌壩行洪時(shí)的消能率見表1;消能率η與收縮斷面處的弗洛德數(shù)Fr呈對(duì)數(shù)關(guān)系分布見圖1。

        表1 2m高液壓壩消能率計(jì)算成果

        圖1 消能率η與弗洛德數(shù)Fr相關(guān)性

        計(jì)算公式如下:

        式中:η——消力池消能率;E1——消力池收縮斷面處能量,m;E2——消力池末端水流斷面能量,m。

        3.3 消力池底板厚度計(jì)算

        消力池底板厚度應(yīng)根據(jù)抗沖和抗浮要求分別計(jì)算確定,并取計(jì)算結(jié)果最大值。依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》消力池底板計(jì)算公式,計(jì)算各工況底板的抗沖與抗浮厚度,計(jì)算可知:因消力池采用鋼筋混凝土材料制作而成,消力池的抗沖計(jì)算厚度略大于抗浮計(jì)算厚度要求。消力池底板計(jì)算厚度隨壩高的增大而增大,灘地消力池底板厚度為0.34m,主槽消力池底板厚度為0.40~0.50m。

        3.4 海漫長(zhǎng)度計(jì)算

        水流經(jīng)過消力池消能后仍存有部分剩余能量,需要利用海漫消除,并且不同河床土質(zhì)的抗沖能力差別較大。因此,海漫的長(zhǎng)度由剩余能量的大小及河床的抗沖能力決定。依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》海漫計(jì)算公式,計(jì)算得到灘地液壓壩的海漫長(zhǎng)度為9.06m,主槽液壓壩的海漫長(zhǎng)度為20m左右,計(jì)算長(zhǎng)度隨液壓壩壩高增大而增大。

        4 結(jié)論

        第一,在立壩溢流情況下,液壓壩的過流能力隨堰上水頭的增高而增大;塌壩泄流情況下,液壓壩的過流能力受到淹沒系數(shù)的影響,泄流流量隨液壓壩降落呈先增大后減小趨勢(shì)。

        第二,消力池池長(zhǎng)主要由上下游水頭差而決定,池深主要由單寬流量而決定;消力池消能率與收縮斷面處的弗洛德數(shù)正相關(guān),呈對(duì)數(shù)分布。

        第三,鋼筋混凝土材料制作的消力池,其底板抗沖厚度略大于抗浮厚度要求。

        第四,海漫長(zhǎng)度取決于消力池末端剩余能量大小及河床抗沖能力,并隨壩高的增高而增長(zhǎng)。

        TV653 [

        ]C [

        ]1004-7042(2016)10-0034-02

        崔攀(1989-),男,2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)水利水電工程專業(yè),助理工程師。

        2016-08-17;

        2016-09-23

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