孫 凱

（綏中縣水利技術推廣站，遼寧綏中125200）

細河北臺段攔河壩工程橡膠壩消能防沖設計探討

孫 凱

（綏中縣水利技術推廣站，遼寧綏中125200）

在攔河壩工程施工中，橡膠壩溢流流態(tài)比較復雜，計算工況選擇對橡膠壩消能防沖設計有著至關重要的影響。本文以遼寧本溪細河北臺段攔河壩工程橡膠壩消能防沖設計實例，闡述了控制工況的選擇及其相應的消力池、海漫、防沖槽設計計算。通過數(shù)值模擬水流流態(tài)，驗證了主要消能防沖結構——消力池的設計合理性，以期對相關工程設計有所借鑒。

橡膠壩；消能防沖設計；消力池；流態(tài)

1 工程概況

細河北臺段攔河壩工程由橡膠壩、節(jié)制閘、管理房和取水井組成。橡膠壩長204.40m，壩高為2.5m，泄流凈寬192.00m，橡膠壩底板順水流方向長9.0m，厚1.0m。整個橡膠壩共分三跨，兩邊跨壩長66m，中間跨壩長60m，中墩厚0.8m。該河道高程為111m，為防止推移質泥沙卷入壩袋底部從而增加壩袋的磨損，壩底板高程比河道高程抬高了0.2m，則底板高程為111.20m。中墩頂高程

114.20 m，邊墩頂高程114.70m。橡膠壩上下游水位差較大，為保護下游河床，需對橡膠壩進行消能防沖處理。

2 橡膠壩消能防沖設計

2.1控制工況選定

當河道流量較大時，橡膠壩處于坍壩狀態(tài)，過壩水流為淹沒出流，對河道基本無沖刷破壞現(xiàn)象。在橡膠壩坍壩過程中，堰上水頭及堰高均在變化，根據(jù)已建工程經(jīng)驗，此工況不控制下游消能防沖。橡膠壩在運行中快速放空一孔時，堰上水頭最大，此工況最為不利，考慮壩袋中孔坍壩，按寬頂堰流計算流量，此工況按表1所示五種情況進行下游消能防沖計算［1］。

2.2挖深式消力池設計計算

消力池的種類有很多，應用較多的為消力坎式和綜合式。就其功能而言，兩種消力池的作用是相同的，主要為消剎水能、形成水躍，進而淹沒原有水躍形成的基本條件。消力池是底流消能的最主要結構，其他消能結構設計目的主要為保證消力池功能的有效實施。消力池的尺寸規(guī)格對于整個消能防沖設計有著至關重要的影響，其設計應按照不同工況條件下的防沖效果進行分析［2］，計算過程如下∶

表1 消能防沖計算工況

（1）消力池深度按下式計算∶

其中∶d—消力池深度，m；σ0—水躍淹沒系數(shù)，1.05；hc—收縮水深，m；h″c—躍后水深，m；α—水流動能校正系數(shù)，1；q—過閘單寬流量，m2/s；ψ—流速系數(shù)，0.95；T0—總勢能，m；Δ Z—出池落差，m；hs—出池河床水深，m。

（2）消力池長度計算∶

其中∶Lsj—消力池長度，m；Lj—水躍長度，m；Ls—消力池斜坡段投影長度，m；β—水躍長度校正系數(shù)，0.75［3］。

根據(jù)上述公式及參數(shù)，計算得到不同工況條件下的池內(nèi)水深以及消力池尺寸，其結果見表2。

表2 橡膠壩消力池計算成果表

經(jīng)上述計算，各種工況下均需修建消力池。綜合考慮，滿足各種工況條件，確定消力池池深為1.0m，池長13.5m，其中水平段長8.0m，消力池形式選用底流消能的鋼筋混凝土結構［4］。

2.3下游海漫設計

海漫的作用是對消力池消能后的水流進行進一步的余能消除，調整池水流的流速分布，恢復原水流的水流狀態(tài)，減少對河床造成不必要的沖刷影響。從海漫功能需求出發(fā)可以得出，海漫的結構應具備一定的柔性、表面的粗糙度要足夠高。海漫長度的設計要綜合考慮多方面的因素，主要包括有海漫地質條件、水閘上下游水位差、單寬流量以及表面粗糙度的要求。以最不利的水位、流量組合為計算工況［5］，下游海漫計算公式為∶

式中∶ht—下游水深，取1.34m。

計算得到，橡膠壩下游海漫長度為15.16m，故海漫長度取為16.00m，設計采用500m m厚的賓格網(wǎng)石籠結構。

2.4下游防沖槽設計

當流經(jīng)橡膠壩的下泄水量較大時，水流經(jīng)消力池與海漫消能防沖如達不到預期效果，可能造成河床的嚴重沖涮。為保障充分的消能防沖效果，需對過壩水流繼續(xù)進行消能防沖處理，可在海漫的末端設置防沖槽或其他消能功結構。防沖槽規(guī)格根據(jù)海漫末端水流對下游河床可能造成的沖刷深度來確定，同樣考慮最不利的計算工況，防沖槽深度計算，采用《水力計算手冊》中公式［6］∶

其中∶q為下游河道單寬流量，m3/s；h為海漫末端水深，m；ht為下游水深，m；z為海漫末端最大流速的位置高度，z＝0.5h；α0為動能修正系數(shù)，取1.0；d為（d50）河床沙粒徑；rs和r分別為床沙和水的重率。

帶入數(shù)據(jù)計算得到，橡膠壩下游防沖槽深度為1.168m。防沖槽設計為干砌石結構，防沖槽深為1.0m。

3 消力池水力特性分析

對消力池水力特性分析采用流體數(shù)值模擬軟件F 1 ue nt進行，根據(jù)所設計的消力池尺寸構建數(shù)值模型，并設置對應的邊界條件與力學參數(shù)，模擬分析消力池在最不利工況條件下的水流流態(tài)分布規(guī)律。

3.1消力池水流流態(tài)

數(shù)值模擬得到消力池水面線及流速分布結果，如圖1所示∶

圖1 水流流態(tài)模擬結果

分析消力池水面線及流速分布模擬結果可知，橡膠壩壩孔的水流流態(tài)呈現(xiàn)淹沒射流，對應的水躍長度為5m，而水流對消力池沖涮的長度約3m左右。通過橡膠壩的主水流在4m左右開始垂向擴散，到9m時水流流態(tài)轉為順流。水流流經(jīng)消力池過程中形成漩渦，漩渦中心位置距橡膠壩壩孔約7m［7］。

3.2消力池臨底流速

模擬得到消力池流速分布規(guī)律，如圖2所示∶

圖2 消力池流速等值線示意圖

根據(jù)圖2（a）可知，在距消力池底板0.6m位置的水面，最大流速水面流速為14.1m/s，主要分布在距離橡膠壩4.5～8.5m范圍內(nèi)，距橡膠壩9m以外的水流流速逐漸減??；消力池池尾部分區(qū)域出現(xiàn)流速為負值的情況。根據(jù)圖2（b）可知，距離消力池底板1.0m水面水流流速都較0.6m水面增加，高流速區(qū)域范圍亦有所擴大，但整體流速分布規(guī)律與前者相似。由橡膠壩消能防沖設計要求可知，消力池水流流態(tài)符合要求，消力池尺寸設計較為合理［8］。

4 結語

橡膠壩因其結構功能的優(yōu)異性，與其他結構消能防沖設計相比，同等條件下的橡膠壩消能防沖設計標準較低。但為保證過壩水流不對河床產(chǎn)生沖涮，橡膠壩消能防沖設計應分工況進行，此次攔河壩工程橡膠壩消能防沖設計控制工況選取5個，計算得到消力池池深為1.0m，池長13.5m；并且為確保消能防沖的有效性，設計在消力池末端設置賓格網(wǎng)石籠海漫和干砌石防沖槽。水力特性數(shù)值模擬顯示，消力池內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)，基本上不存在沖涮河床情況，驗證了消能防沖設計的合理性。

［1］高本虎.橡膠壩工程技術指南（第二版）［M］.北京∶中國水利水電出版社，2006.

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：1672-2469（2016）05-0098-03

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.035

2015-12-14

孫 凱（1976年—），男，工程師。