大壩底流消能方案關(guān)鍵問題探討
——以?？谑心隙山?zhí)链髩螢槔?/h1>
2020-06-12 08:11:44包第嘯
海河水利 2020年3期
曹 陽，包第嘯
（中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）
?？谑心隙山?zhí)链髩螛屑~地處南渡江流域下游，工程的任務(wù)以供水為主，兼顧灌溉、生態(tài)補(bǔ)水、旅游、航運(yùn)、發(fā)電等，并為改善上游防洪排澇創(chuàng)造條件。水庫正常蓄水位8.35 m，設(shè)計(jì)洪水位12.99 m，校核洪水位14.64 m，總庫容1.7億m3，電站裝機(jī)容量5 MW，工程等別為Ⅱ等大（2）型工程。
工程主要建筑物為2 級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇。設(shè)計(jì)洪水洪峰流量及最大下泄流量為11 600 m3/s，相應(yīng)上游洪水位12.99 m、下游洪水位12.51 m；校核洪水洪峰流量及最大下泄流量為14 300 m3/s，相應(yīng)上游洪水位14.64 m、下游洪水位14.03 m。
本工程擋水及泄水建筑物為攔河閘，布置于河床部位，由泄洪閘和控泄閘兩部分組成。泄洪閘采用開敞式結(jié)構(gòu)，閘門選用平面鋼閘門，共8 孔，單孔凈寬20.0 m；控泄閘采用胸墻式結(jié)構(gòu)，閘門選用弧形閘門，擋水高程8.35 m，2 孔，單孔凈寬10.0 m。堰型均選用駝峰堰，底板進(jìn)口高程-3.00 m，堰頂高程0.00 m。
工程區(qū)所處河道為典型的平原區(qū)河流。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）的相關(guān)規(guī)定，考慮平原地區(qū)水閘水頭一般較低、河道土質(zhì)抗沖能力較小、下游水位變化較大的特點(diǎn)，本工程水閘閘下采用底流式消能方式。
1 樞紐興利和防洪調(diào)度方式與消能計(jì)算工況的選取
底流消能計(jì)算的關(guān)鍵問題之一就是工況的選取問題，關(guān)乎消力池計(jì)算的正確與否。而工況與樞紐的調(diào)度方式息息相關(guān)，下文著重探討調(diào)度方式與工況二者之間的關(guān)聯(lián)性。
南渡江龍?zhí)链髩螢槠皆退畮?，洪水有來勢迅猛、峰高、過程尖瘦等特點(diǎn)。樞紐興利時調(diào)度原則如下：龍?zhí)翂握＿\(yùn)行時盡可能維持正常蓄水位8.35 m。①當(dāng)上游來水量小于900.22 m3/s（此流量為2 孔控泄閘全開時的泄量，通過泄流能力計(jì)算得到）時，通過2 孔控泄閘控制泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m；②當(dāng)上游來水量大于900.22 m3/s 小于5 406.44 m3/s（此流量為8 孔泄洪閘全開時的泄量，通過泄流能力計(jì)算得到）時，逐步開啟8孔泄洪閘閘門泄洪，并調(diào)節(jié)控泄閘開度，以維持上游正常蓄水位8.35 m。樞紐泄洪時調(diào)度原則如下：當(dāng)上游來水量大于5 406.44 m3/s時，泄洪閘閘門全部打開，同時關(guān)閉控泄閘閘門，洪水自由下泄，水位上漲，水庫發(fā)揮滯洪作用；洪水過后，逐步下閘，控制水位降低至正常蓄水位。
根據(jù)興利和防洪調(diào)度方式，確定消能計(jì)算工況。工況一：當(dāng)天然來流量較小時，通過控制控泄閘的開度調(diào)節(jié)泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m，閘門開度分別為0.15、0.25、0.35、0.45、0.55。工況二：當(dāng)天然來流量較小時，通過啟閉2孔控泄閘控制泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m。工況三：當(dāng)天然來流量較大時，2孔控泄閘全部開啟后無法維持上游正常蓄水位，通過分別開啟8孔泄洪閘閘門宣泄洪水，以維持上游正常蓄水位8.35 m。工況四：當(dāng)天然來流量逐漸趨近于校核洪水時，已無法維持上游正常蓄水位8.35 m，此時泄洪閘閘門全部開啟，上下游水位上升。
各工況水位流量關(guān)系，見表1—4。
表1 工況一水位流量關(guān)系
表2 工況二水位流量關(guān)系
表3 工況三水位流量關(guān)系
表4 工況四水位流量關(guān)系
2 消力池深度計(jì)算工況選取
2.1 消力池深度計(jì)算公式
消力池深度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）附錄B公式進(jìn)行計(jì)算：
式（1）—（4）中：d為消力池深度（m）；σ0為水躍淹沒系數(shù)；為躍后水深（m）；hc為收縮水深（m）；g為重力加速度（m/s2），采用9.81；α為水流動能校正系數(shù)，采用1.05；φ為流速系數(shù)，采用0.95；q為過閘單寬流量（m3/s）；b1為消力池首端寬度（m）；b2為消力池末端寬度（m）；T0為由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；ΔZ為出池落差（m）；為出池河床水深（m）。
2.2 消力池深度計(jì)算工況選擇原則
在式（1）中略去ΔZ，且為消力池深度為0時的躍后水深，此時消力池高程為下游河床高程，可得消力池深度粗估近似公式：
2.3 計(jì)算結(jié)果及分析
根據(jù)表1—4 水位流量關(guān)系的數(shù)據(jù)及式（2）、（3），計(jì)算在不設(shè)置下挖式消力池時所對應(yīng)的躍后水深和出池河床水深，并通過判斷消力池深度設(shè)計(jì)工況。計(jì)算結(jié)果見表5—7，如圖1 所示。
表5 控泄閘消力池判別
表6 泄洪閘消力池判別（工況三）
表7 泄洪閘消力池判別（工況四）
圖1 泄流量與出池河床水深及躍后水深對應(yīng)情況
3 消力池深度計(jì)算
3.1 消力池深度計(jì)算思路和步驟
（1）初擬d，通過閘前水頭、出池河床高程等已知條件得到消力池底板頂面算起的總勢能。
（2）將q和T0代入式（3），求得hc。
（3）將hc代入式（2），求得。
（4）將已得數(shù)值代入式（4），求得出池落差。
（5）將d、、代入式（1），求得在該消力池深度下的σ0。
（6）對σ0進(jìn)行分析：①當(dāng)σ0＜1.05 時，可能產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，消能效果不明顯，極易對下游產(chǎn)生沖刷，應(yīng)加大消力池深度，重新計(jì)算；②當(dāng)σ0＞1.10時，淹沒度過大，產(chǎn)生淹沒水躍，此時將形成落底射流，反而對消能產(chǎn)生不利影響，其產(chǎn)生的射流極易沖刷下游河床，嚴(yán)重程度不亞于遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，應(yīng)減小消力池深度，重新計(jì)算；③當(dāng)1.05≤σ0≤1.10 時，此時所產(chǎn)生的水躍為稍有淹沒的臨界式水躍，消能效果最為理想，此時的消力池深度即可作為最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。
3.2 消力池深度計(jì)算過程及結(jié)果分析
按照上述步驟經(jīng)過試算，在最不利工況二控泄閘開1 孔時，消力池深度取2.5 m，滿足1.05≤σ0≤1.10的要求，計(jì)算結(jié)果見表8。
表8 消力池深度計(jì)算結(jié)果
當(dāng)消力池深度取2.5 m 即消力池底板頂高程-5.50 m時，可以滿足消力池深度要求。
4 消力池長度計(jì)算
4.1 消力池長度計(jì)算公式
消力池長度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）附錄B公式進(jìn)行計(jì)算：
式中：Lsj為消力池長度（m）；Ls為消力池斜坡段水平投影長度（m）；β為水躍長度校正系數(shù)，采用0.8；Lj為水躍長度（m）；其余變量含義同上。
4.2 消力池長度計(jì)算思路和步驟
（1）消力池長度決定性因素討論。①消力池長度取決于水躍長度，與共軛水深之差成正比，由共軛水深性質(zhì)可知與hc成反比，即消力池長度與成正比；②根據(jù)《水力計(jì)算手冊》（第二版）躍后水深求解曲線可以看出，與臨界水深hk成正比，與T0/hk成反比；③根據(jù)臨界水深計(jì)算公式可知，hk與q成正比；④由上述推導(dǎo)可得出結(jié)論，在總勢能相同或相近似的情況下，消力池長度與q成正比。
（2）消力池深度為設(shè)計(jì)深度時，通過式（1）—（4）計(jì)算得出及消力池水平段長度。
（3）對σ0進(jìn)行驗(yàn)算：①各工況不可出現(xiàn)σ0＜1.05即遠(yuǎn)驅(qū)式水躍的情況，若出現(xiàn)則消力池深度計(jì)算結(jié)果錯誤；②當(dāng)計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)σ0＞1.10 即淹沒水躍的情況，消力池中無法形成有效水躍，此種工況不能作為消力池長度的設(shè)計(jì)工況；③當(dāng)1.05≤σ0≤1.10時即出現(xiàn)稍有淹沒的臨界式水躍時，選取最大值作為設(shè)計(jì)值，工況作為設(shè)計(jì)工況。
4.3 消力池長度計(jì)算過程及結(jié)果分析
消力池長度計(jì)算結(jié)果，見表9—11。
表9 控泄閘消力池長度計(jì)算結(jié)果
表10 泄洪閘（工況三）消力池長度計(jì)算結(jié)果
表11 泄洪閘（工況四）消力池長度計(jì)算結(jié)果
經(jīng)上述分析，得出以下結(jié)論：①通過對工況一至工況四的計(jì)算，消力池深度取2.5 m 時，各工況所產(chǎn)生的水躍均為淹沒水躍，消力池深度滿足設(shè)計(jì)要求；②由于工況三中泄洪閘開孔數(shù)大于3 孔和工況四，水躍淹沒系數(shù)均大于1.10，不能作為消力池長度的設(shè)計(jì)工況；③能夠在消力池中產(chǎn)生有效水躍且消力池水平段長度最大值出現(xiàn)在工況三泄洪閘開孔數(shù)為2孔時，此工況水平段長度為31.29 m，消力池斜坡段長度為2.80 m，故計(jì)算得消力池總長34.09 m，取35.00 m；④通過水躍淹沒系數(shù)在1.05≤σ0≤1.10 的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，在總勢能為近似值時，單寬流量與消力池長度成正比，滿足前述分析的結(jié)果，計(jì)算成果符合理論分析結(jié)果。
5 結(jié)語
（1）本工程具有泄洪流量大、水頭低、單寬流量大、洪水調(diào)度方式復(fù)雜等特點(diǎn)，因此消力池的設(shè)計(jì)應(yīng)作為工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
（2）消力池設(shè)計(jì)的首要問題是工況的選取，尤其是對運(yùn)行調(diào)度較復(fù)雜的工程更應(yīng)將所有可能出現(xiàn)的工況及對應(yīng)的流量、水位分析清楚。
（3）在消力池深度計(jì)算時，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注單寬流量較大且總流量較小時的工況，此時的躍后水深較大且下游河床水深較淺，必然出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式水躍的情況。
（4）消力池的長度由水躍長度決定，一般來說水躍長度隨著單寬流量的增加而增長，在消力池長度設(shè)計(jì)時應(yīng)注意較大流量的情況。
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工程主要建筑物為2 級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇。設(shè)計(jì)洪水洪峰流量及最大下泄流量為11 600 m3/s，相應(yīng)上游洪水位12.99 m、下游洪水位12.51 m；校核洪水洪峰流量及最大下泄流量為14 300 m3/s，相應(yīng)上游洪水位14.64 m、下游洪水位14.03 m。
本工程擋水及泄水建筑物為攔河閘，布置于河床部位，由泄洪閘和控泄閘兩部分組成。泄洪閘采用開敞式結(jié)構(gòu)，閘門選用平面鋼閘門，共8 孔，單孔凈寬20.0 m；控泄閘采用胸墻式結(jié)構(gòu)，閘門選用弧形閘門，擋水高程8.35 m，2 孔，單孔凈寬10.0 m。堰型均選用駝峰堰，底板進(jìn)口高程-3.00 m，堰頂高程0.00 m。
工程區(qū)所處河道為典型的平原區(qū)河流。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）的相關(guān)規(guī)定，考慮平原地區(qū)水閘水頭一般較低、河道土質(zhì)抗沖能力較小、下游水位變化較大的特點(diǎn)，本工程水閘閘下采用底流式消能方式。
1 樞紐興利和防洪調(diào)度方式與消能計(jì)算工況的選取
底流消能計(jì)算的關(guān)鍵問題之一就是工況的選取問題，關(guān)乎消力池計(jì)算的正確與否。而工況與樞紐的調(diào)度方式息息相關(guān)，下文著重探討調(diào)度方式與工況二者之間的關(guān)聯(lián)性。
南渡江龍?zhí)链髩螢槠皆退畮?，洪水有來勢迅猛、峰高、過程尖瘦等特點(diǎn)。樞紐興利時調(diào)度原則如下：龍?zhí)翂握＿\(yùn)行時盡可能維持正常蓄水位8.35 m。①當(dāng)上游來水量小于900.22 m3/s（此流量為2 孔控泄閘全開時的泄量，通過泄流能力計(jì)算得到）時，通過2 孔控泄閘控制泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m；②當(dāng)上游來水量大于900.22 m3/s 小于5 406.44 m3/s（此流量為8 孔泄洪閘全開時的泄量，通過泄流能力計(jì)算得到）時，逐步開啟8孔泄洪閘閘門泄洪，并調(diào)節(jié)控泄閘開度，以維持上游正常蓄水位8.35 m。樞紐泄洪時調(diào)度原則如下：當(dāng)上游來水量大于5 406.44 m3/s時，泄洪閘閘門全部打開，同時關(guān)閉控泄閘閘門，洪水自由下泄，水位上漲，水庫發(fā)揮滯洪作用；洪水過后，逐步下閘，控制水位降低至正常蓄水位。
根據(jù)興利和防洪調(diào)度方式，確定消能計(jì)算工況。工況一：當(dāng)天然來流量較小時，通過控制控泄閘的開度調(diào)節(jié)泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m，閘門開度分別為0.15、0.25、0.35、0.45、0.55。工況二：當(dāng)天然來流量較小時，通過啟閉2孔控泄閘控制泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m。工況三：當(dāng)天然來流量較大時，2孔控泄閘全部開啟后無法維持上游正常蓄水位，通過分別開啟8孔泄洪閘閘門宣泄洪水，以維持上游正常蓄水位8.35 m。工況四：當(dāng)天然來流量逐漸趨近于校核洪水時，已無法維持上游正常蓄水位8.35 m，此時泄洪閘閘門全部開啟，上下游水位上升。
各工況水位流量關(guān)系，見表1—4。
表1 工況一水位流量關(guān)系
表2 工況二水位流量關(guān)系
表3 工況三水位流量關(guān)系
表4 工況四水位流量關(guān)系
2 消力池深度計(jì)算工況選取
2.1 消力池深度計(jì)算公式
消力池深度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）附錄B公式進(jìn)行計(jì)算：
式（1）—（4）中：d為消力池深度（m）；σ0為水躍淹沒系數(shù)；為躍后水深（m）；hc為收縮水深（m）；g為重力加速度（m/s2），采用9.81；α為水流動能校正系數(shù)，采用1.05；φ為流速系數(shù)，采用0.95；q為過閘單寬流量（m3/s）；b1為消力池首端寬度（m）；b2為消力池末端寬度（m）；T0為由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；ΔZ為出池落差（m）；為出池河床水深（m）。
2.2 消力池深度計(jì)算工況選擇原則
在式（1）中略去ΔZ，且為消力池深度為0時的躍后水深，此時消力池高程為下游河床高程，可得消力池深度粗估近似公式：
2.3 計(jì)算結(jié)果及分析
根據(jù)表1—4 水位流量關(guān)系的數(shù)據(jù)及式（2）、（3），計(jì)算在不設(shè)置下挖式消力池時所對應(yīng)的躍后水深和出池河床水深，并通過判斷消力池深度設(shè)計(jì)工況。計(jì)算結(jié)果見表5—7，如圖1 所示。
表5 控泄閘消力池判別
表6 泄洪閘消力池判別（工況三）
表7 泄洪閘消力池判別（工況四）
圖1 泄流量與出池河床水深及躍后水深對應(yīng)情況
3 消力池深度計(jì)算
3.1 消力池深度計(jì)算思路和步驟
（1）初擬d，通過閘前水頭、出池河床高程等已知條件得到消力池底板頂面算起的總勢能。
（2）將q和T0代入式（3），求得hc。
（3）將hc代入式（2），求得。
（4）將已得數(shù)值代入式（4），求得出池落差。
（5）將d、、代入式（1），求得在該消力池深度下的σ0。
（6）對σ0進(jìn)行分析：①當(dāng)σ0＜1.05 時，可能產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，消能效果不明顯，極易對下游產(chǎn)生沖刷，應(yīng)加大消力池深度，重新計(jì)算；②當(dāng)σ0＞1.10時，淹沒度過大，產(chǎn)生淹沒水躍，此時將形成落底射流，反而對消能產(chǎn)生不利影響，其產(chǎn)生的射流極易沖刷下游河床，嚴(yán)重程度不亞于遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，應(yīng)減小消力池深度，重新計(jì)算；③當(dāng)1.05≤σ0≤1.10 時，此時所產(chǎn)生的水躍為稍有淹沒的臨界式水躍，消能效果最為理想，此時的消力池深度即可作為最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。
3.2 消力池深度計(jì)算過程及結(jié)果分析
按照上述步驟經(jīng)過試算，在最不利工況二控泄閘開1 孔時，消力池深度取2.5 m，滿足1.05≤σ0≤1.10的要求，計(jì)算結(jié)果見表8。
表8 消力池深度計(jì)算結(jié)果
當(dāng)消力池深度取2.5 m 即消力池底板頂高程-5.50 m時，可以滿足消力池深度要求。
4 消力池長度計(jì)算
4.1 消力池長度計(jì)算公式
消力池長度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）附錄B公式進(jìn)行計(jì)算：
式中：Lsj為消力池長度（m）；Ls為消力池斜坡段水平投影長度（m）；β為水躍長度校正系數(shù)，采用0.8；Lj為水躍長度（m）；其余變量含義同上。
4.2 消力池長度計(jì)算思路和步驟
（1）消力池長度決定性因素討論。①消力池長度取決于水躍長度，與共軛水深之差成正比，由共軛水深性質(zhì)可知與hc成反比，即消力池長度與成正比；②根據(jù)《水力計(jì)算手冊》（第二版）躍后水深求解曲線可以看出，與臨界水深hk成正比，與T0/hk成反比；③根據(jù)臨界水深計(jì)算公式可知，hk與q成正比；④由上述推導(dǎo)可得出結(jié)論，在總勢能相同或相近似的情況下，消力池長度與q成正比。
（2）消力池深度為設(shè)計(jì)深度時，通過式（1）—（4）計(jì)算得出及消力池水平段長度。
（3）對σ0進(jìn)行驗(yàn)算：①各工況不可出現(xiàn)σ0＜1.05即遠(yuǎn)驅(qū)式水躍的情況，若出現(xiàn)則消力池深度計(jì)算結(jié)果錯誤；②當(dāng)計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)σ0＞1.10 即淹沒水躍的情況，消力池中無法形成有效水躍，此種工況不能作為消力池長度的設(shè)計(jì)工況；③當(dāng)1.05≤σ0≤1.10時即出現(xiàn)稍有淹沒的臨界式水躍時，選取最大值作為設(shè)計(jì)值，工況作為設(shè)計(jì)工況。
4.3 消力池長度計(jì)算過程及結(jié)果分析
消力池長度計(jì)算結(jié)果，見表9—11。
表9 控泄閘消力池長度計(jì)算結(jié)果
表10 泄洪閘（工況三）消力池長度計(jì)算結(jié)果
表11 泄洪閘（工況四）消力池長度計(jì)算結(jié)果
經(jīng)上述分析，得出以下結(jié)論：①通過對工況一至工況四的計(jì)算，消力池深度取2.5 m 時，各工況所產(chǎn)生的水躍均為淹沒水躍，消力池深度滿足設(shè)計(jì)要求；②由于工況三中泄洪閘開孔數(shù)大于3 孔和工況四，水躍淹沒系數(shù)均大于1.10，不能作為消力池長度的設(shè)計(jì)工況；③能夠在消力池中產(chǎn)生有效水躍且消力池水平段長度最大值出現(xiàn)在工況三泄洪閘開孔數(shù)為2孔時，此工況水平段長度為31.29 m，消力池斜坡段長度為2.80 m，故計(jì)算得消力池總長34.09 m，取35.00 m；④通過水躍淹沒系數(shù)在1.05≤σ0≤1.10 的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，在總勢能為近似值時，單寬流量與消力池長度成正比，滿足前述分析的結(jié)果，計(jì)算成果符合理論分析結(jié)果。
5 結(jié)語
（1）本工程具有泄洪流量大、水頭低、單寬流量大、洪水調(diào)度方式復(fù)雜等特點(diǎn)，因此消力池的設(shè)計(jì)應(yīng)作為工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
（2）消力池設(shè)計(jì)的首要問題是工況的選取，尤其是對運(yùn)行調(diào)度較復(fù)雜的工程更應(yīng)將所有可能出現(xiàn)的工況及對應(yīng)的流量、水位分析清楚。
（3）在消力池深度計(jì)算時，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注單寬流量較大且總流量較小時的工況，此時的躍后水深較大且下游河床水深較淺，必然出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式水躍的情況。
（4）消力池的長度由水躍長度決定，一般來說水躍長度隨著單寬流量的增加而增長，在消力池長度設(shè)計(jì)時應(yīng)注意較大流量的情況。
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