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        底流式消能設(shè)計(jì)淺析及工程應(yīng)用

        2017-03-08 09:24:09李育華
        黑龍江水利科技 2017年12期
        關(guān)鍵詞:海漫消力池水閘

        李育華,袁 靜

        (江寧區(qū)水務(wù)局,南京 211112)

        0 引 言

        水閘下游的消能防沖設(shè)計(jì),與水閘結(jié)構(gòu)自身、閘下河道堤防的穩(wěn)定性有很大的關(guān)系[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在我國(guó)水閘的安全普查中,水閘出水部位的消能工設(shè)計(jì)中約有42%在水閘運(yùn)行過(guò)程中,存在嚴(yán)重沖壞問(wèn)題[2]。通過(guò)以往水閘運(yùn)行過(guò)程及消能措施破壞程度研究分析,消能措施的消能效果,不僅與水閘下泄設(shè)計(jì)洪水工況有關(guān),還與施工條件及水閘運(yùn)行過(guò)程密不可分[3]。

        姜林閘地處趙村水庫(kù)溢洪河末端,從地形上來(lái)說(shuō),正處在山丘區(qū)向圩區(qū)過(guò)度的山圩混合區(qū),地形在閘址處有一突降,落差約為3m。從水閘本身來(lái)說(shuō),這樣的位置利于降低挖深、節(jié)省造價(jià),也造成水閘需解決一定落差帶來(lái)的消能問(wèn)題。文章基于姜林閘水閘存在的消能問(wèn)題,針對(duì)消能工設(shè)計(jì)條件、消力池、海漫等設(shè)計(jì)進(jìn)行探討,以期提出適合本工程的消能方式。

        1 水閘消能工設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

        1)鑒于下游潮位及上游洪水流量是隨時(shí)間季節(jié)不斷變化,相關(guān)過(guò)閘水流的流量、下游水位、下泄流速均為變量,設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)水閘時(shí)需考慮此變化,進(jìn)行關(guān)鍵過(guò)程分析;

        2)當(dāng)閘下水位較低時(shí),需對(duì)下游水位繪制變化曲線,進(jìn)行水位跟蹤分析;在多級(jí)消力池設(shè)計(jì)中,需綜合考慮閘門(mén)的啟閉順序、開(kāi)度等因素;

        3)水閘設(shè)計(jì)流量較大,流速較急時(shí),需綜合設(shè)計(jì)一些輔助消能工,促使水躍的發(fā)生。

        2 水閘消能工設(shè)計(jì)

        2.1 消力池挖深設(shè)計(jì)

        常見(jiàn)底流式消力池的挖深設(shè)計(jì)方法有綜合式計(jì)算方法及動(dòng)量方程方法。綜合式消力池護(hù)坦末端消能坎高度及挖深的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。計(jì)算流程如下:

        1)首先假設(shè)消力池會(huì)形成二次水躍,可得相應(yīng)躍后水深為h(下游水深) 。進(jìn)而反推計(jì)算出躍前水深;

        2)通過(guò)躍前及躍后水深值,可求得消力坎后的躍前總水頭E,進(jìn)而推算出消力坎頂處總水頭,可計(jì)算得出坎高C;

        3)再通過(guò)迭代計(jì)算動(dòng)量方程,求解得到消力池深值。

        采用動(dòng)量方程求解時(shí),公式中采用的是靜水壓,未考慮水流在躍過(guò)護(hù)坦末端消能坎時(shí),水流劇烈的紊動(dòng)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力,此壓力遠(yuǎn)大于計(jì)算采用的靜水壓,因此,該方法計(jì)算所得池深比采用堰流計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果要偏小一些。

        圖1 底流式消力池挖深設(shè)計(jì)綜合式計(jì)算簡(jiǎn)圖

        2.2 海漫設(shè)計(jì)

        海漫的設(shè)計(jì)中,最主要的就是材料的選取,常用材料有塊石或混凝土。同時(shí)要求,海漫結(jié)構(gòu)表面具有一定程度的抗沖性、粗糙度、柔韌性及透水性。

        1)海漫的結(jié)構(gòu)型式:

        海漫的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)具有消耗水流的余能的作用,并保證結(jié)構(gòu)自身安全穩(wěn)定,可以達(dá)到對(duì)河床的保護(hù)目的;同時(shí)在一定程度上,結(jié)構(gòu)整體應(yīng)具有適應(yīng)河床變形的柔韌性??偨Y(jié)常見(jiàn)海漫結(jié)構(gòu)型式如表1所示。

        表1 常見(jiàn)海漫特性比較表

        2)海漫布置型式:

        為保證下泄水流通暢,海漫的順?biāo)髌露炔粦?yīng)陡于1 ∶10。干砌石海漫還需注意,當(dāng)用于大、中型水閘中,還需用混凝土或漿砌石格埂,以框格型式分塊布置,格埂的間距可為10-15 m,橫斷面尺寸常用40 cm ×60 cm。

        3)海漫長(zhǎng)度計(jì)算:

        通過(guò)海漫長(zhǎng)度的計(jì)算公式,可知消能后剩余能量的大小以及河床土質(zhì)的抗沖能力是計(jì)算的關(guān)鍵因素。海漫長(zhǎng)度計(jì)算公式為:

        Lp=kqΔH(原南京水科所提出經(jīng)驗(yàn)公式)

        (1)

        該公式適用于消能擴(kuò)散良好情況下,即q ΔH = 1-9。

        式中:ΔH為閘孔泄水時(shí)的上下游水位差,m;q為消力池末端的單寬流量,m3/( s·m) ;k為海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù),取值范圍詳見(jiàn)表2。

        表2 海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)取值范圍表

        計(jì)算過(guò)程中,應(yīng)采用各種水位流量組合的試算方法,取計(jì)算結(jié)果中的最大值。同時(shí)還應(yīng)參考海漫末端保護(hù)措施、允許局部沖刷坑深度、地層變化等因素,最終綜合考慮確定海漫的長(zhǎng)度。

        3 工程應(yīng)用

        3.1 工程概況

        姜林閘位于趙村水庫(kù)溢洪河下游,地處南京市江寧區(qū)橫溪街道姜林村,系中型水庫(kù)趙村水庫(kù)溢洪河補(bǔ)水線配套工程。主要功能:①抗旱:旱季關(guān)閘蓄水,將上游河道水位維持在高程▽11.70m,以解決橫溪鎮(zhèn)許呈村、橫山村的人畜生活用水及大部分丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水的問(wèn)題;②蓄水:平時(shí)通過(guò)閘門(mén)的合理開(kāi)度,將上游河道水位維持在高程▽9.00m;③泄洪:汛期開(kāi)閘宣泄洪水,排泄上游趙村水庫(kù)下泄流量、以及趙村水庫(kù)溢洪河沿岸山丘區(qū)與圩區(qū)的來(lái)水,縮短防洪路線,減少或免除洪災(zāi)損失。

        工程建于1987年10月,1988年6月竣工并投入使用。

        圖2 姜林閘地理位置圖

        3.2 消能防沖布置

        水閘的消能防沖布置應(yīng)根據(jù)閘基地質(zhì)情況、水力條件以及控制運(yùn)用方式等因素,進(jìn)行綜合分析確定。

        該閘的運(yùn)行,根據(jù)閘上來(lái)水分別采用全開(kāi)泄水和閘坎頂溢流的方式。

        根據(jù)前文分析,姜林閘采用底流式消能、下挖式消力池,消力池后設(shè)置海漫和防沖槽,海漫結(jié)構(gòu)采用生態(tài)石籠,防沖槽結(jié)構(gòu)為拋石結(jié)構(gòu)。

        3.3 水力計(jì)算

        3.3.1 消力池設(shè)計(jì)

        1)消力池深度。

        根據(jù)根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B,按上游水位11.70m,下游水位9.00m工況,計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3。

        表3 消能計(jì)算結(jié)果表

        經(jīng)計(jì)算下游側(cè)不需設(shè)消力池,但從安全運(yùn)行角度考慮,仍設(shè)深1.0m的構(gòu)造消力池。

        2)消力池長(zhǎng)度。

        根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001),消力池長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

        表4 消力池長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果表

        設(shè)計(jì)中,消力池長(zhǎng)度取值為33.5m。

        3)消力池底板厚度。

        根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001),消力池底板厚度計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表5。

        表5 消力池底板厚度計(jì)算結(jié)果表

        設(shè)計(jì)中,消力池底板厚度取值為0.80m。

        綜上,消力池各部位設(shè)計(jì)平剖面圖詳見(jiàn)圖3、4。

        圖3消力池剖面圖

        圖4 消力池平面圖

        3.3.2 海漫設(shè)計(jì)

        根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》,海漫長(zhǎng)度按下式計(jì)算:

        (2)

        式中:Lp海漫長(zhǎng)度,m;qs為消力池末端單寬流量,m2/s,取qs=6.6m2/s;Ks為海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù),取Ks=9。

        經(jīng)計(jì)算,海漫長(zhǎng)度Lp=29.55m。根據(jù)布置,下游側(cè)海漫長(zhǎng)度為30.0m,滿足要求。

        3.4 消能效果

        姜林閘主體工程已于2016年汛前完工,工程經(jīng)歷了2016年秦淮河流域超歷史暴雨洪水的考驗(yàn),消能效果明顯,對(duì)水閘及下游河道起到了保護(hù)作用。消能設(shè)計(jì)現(xiàn)狀詳見(jiàn)圖5。

        圖5 姜林閘消能工完建現(xiàn)狀示意圖

        4 結(jié) 語(yǔ)

        1)在水閘的消能設(shè)計(jì)中,應(yīng)綜合考慮過(guò)閘流量、上下游水位、閘門(mén)啟閉的組合過(guò)程等控制條件,同時(shí)還需做適時(shí)跟進(jìn)的分析工作,保證消能設(shè)計(jì)的安全可靠。

        2)底流式的消能設(shè)計(jì),水流在流出消力池之后仍存在劇烈紊動(dòng)現(xiàn)象,此時(shí)底部流速較大,對(duì)河床的沖刷較大。除非河床為抗沖較強(qiáng)的基巖以外,其他河道仍需在護(hù)坦下游加設(shè)海漫,進(jìn)一步消減水流的多余能量,調(diào)整流速分布,使水流均勻地?cái)U(kuò)散。

        3)通過(guò)理論分析及計(jì)算,發(fā)現(xiàn)采用動(dòng)量方程迭代計(jì)算的消力池池深,較采用堰流計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果要偏小一些。建議消力池挖深的計(jì)算,參考《水力學(xué)》(清華大學(xué))中用能量方程計(jì)算方法。

        4)海漫的布置,除下游河床局部沖刷不大時(shí),可采用水平海漫,大多數(shù)采用傾斜海漫,以減小沖刷坑底與海漫末端的高差,有利于海漫的安全,并可減少海漫末端的防沖加固工程量。

        [1]康立榮,徐文俊,吝江峰.江蘇大中型病險(xiǎn)水閘概況及主要加固措施探討[J].水利建設(shè)與管理,2014 (03):56-59.

        [2]水利部水利建設(shè)與管理總站,黃河水利科學(xué)研究院,河南黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固技術(shù)指南[M].鄭州:黃河水利出版社,2009.

        [3]蔡新.水利工程安全隱患與病害特點(diǎn)[J].小水電,2004(06):35-37.

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