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)。

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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