周玲玲
(臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心,山東 臨沂 276000)
蒙陰橡膠壩為充水式,橡膠壩全長307m,分為4跨,每跨長76m,中墩厚1.0m。橡膠壩底板高程為180.27m,橡膠壩正常蓄水位為180.57m,壩高2.3m。樞紐工程等別為Ⅲ等,主要建筑物橡膠壩級別為3級,次要建筑物斜坡式護(hù)岸級別為4級,臨時(shí)建筑物級別為5級。橡膠壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和校核洪水標(biāo)準(zhǔn)均為50年一遇,50年一遇設(shè)計(jì)(校核)洪水流量為3323m3/s。由于橡膠壩運(yùn)行過程中上下游水位差較大,為保護(hù)下游河床,需對橡膠壩進(jìn)行消能防沖處理。
橡膠壩在壩體溢流時(shí)水流流態(tài)復(fù)雜,工況多變,而且極易發(fā)生壩袋振動(dòng),直接影響到壩袋的安全運(yùn)行[1]。因此,在進(jìn)行消能防沖設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)結(jié)合橡膠壩的泄流運(yùn)行規(guī)律,合理制定工況進(jìn)行分析計(jì)算。本次設(shè)計(jì)擬選取以下3種典型工況計(jì)算橡膠壩過流能力,在此基礎(chǔ)上分析消能防沖設(shè)計(jì)[2]。
1)工況Ⅰ:當(dāng)下泄流量較小,橡膠壩全部充起時(shí),頂部類似實(shí)用堰。此時(shí),上游水位為正常蓄水位加溢流水深;下游水位很淺甚至無水,按下游河床計(jì)算。
2)工況Ⅱ:隨著下泄流量逐漸增加,橡膠壩在塌落過程中,壩型類似于寬頂堰。此時(shí),上游水位維持正常蓄水位不變;下游水深逐漸升高,下游水位為下泄相應(yīng)流量對應(yīng)的下游水位。
3)工況Ⅲ:當(dāng)下泄流量較大時(shí),橡膠壩全部塌落,袋面上全河道行洪,水流比較平穩(wěn),流速與原河床流速相近。此時(shí),上游水位為下泄流量對應(yīng)的下游水位加過閘水位差;下游水位為下泄相應(yīng)流量對應(yīng)的下游水位。
橡膠壩的過流能力,按《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50979-2014)附錄A進(jìn)行計(jì)算。
式中:Q為過壩流量,m3/s;B為溢流斷面的平均寬度,m;H0為計(jì)入行近流速水頭的堰頂水頭,m;m為流量系數(shù),壩袋完全塌平時(shí),視作寬頂堰,流量系數(shù)取0.33~0.36,壩袋充脹時(shí),視為曲線型實(shí)用堰,流量系數(shù)取0.36~0.45;ε為堰流側(cè)收縮系數(shù);σ為淹沒系數(shù)。
1)壩頂溢流。橡膠壩全部充起時(shí),壩型類似實(shí)用堰,壩頂泄流流量[3]計(jì)算見表1。根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊》(第2版)第7卷,為避免壩頂溢流時(shí)壩袋振動(dòng)影響壩的正常使用,壩頂溢流水深宜取0.2~0.5m,本次設(shè)計(jì)壩頂最大溢流水深取0.3m,對應(yīng)泄流流量為113m3/s。
表1 橡膠壩壩頂溢流流量計(jì)算成果表
2)橡膠壩部分塌壩。為增加安全儲備,汛期橡膠壩應(yīng)部分塌壩運(yùn)行,壩型類似寬頂堰,橡膠壩過流能力見表2。結(jié)合橡膠壩的控制運(yùn)行管理方式,本次設(shè)計(jì)汛期按塌壩1m運(yùn)行,此時(shí),橡膠壩泄流流量為498m3/s。
表2 橡膠壩部分塌壩計(jì)算成果表
3)壩袋全部塌落。當(dāng)下泄流量較大,橡膠壩全部塌落時(shí),橡膠壩過流能力按寬頂堰計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表3。
表3 橡膠壩全部塌落計(jì)算成果表
1)消力池深度
式中:d為消力池深度;σ0為水躍淹沒系數(shù),取1.05;hc″為躍后水深,m;hc為收縮水深,m;α為水流動(dòng)能校正系數(shù),取1.0;q為單寬流量,m2/s;φ為流速系數(shù);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;hs′為出池河床水深,m。
2)消力池長度
式中:Lsj為消力池長度,m;Lj為水躍長度,m;Ls為消力池斜坡段投影長度,m;β為水躍長度校正系數(shù),取0.7~0.8。
3)消力池底板厚度。消力池底板厚度一般可根據(jù)抗沖和抗浮的要求分別按經(jīng)驗(yàn)公式和理論公式計(jì)算確定,并取最大值。
抗沖計(jì)算公式為:
抗浮計(jì)算公式為:
式中:t為消力池底板始端厚度,m;ΔH′為壩泄水時(shí)的上下游水位差,m;k1為消力池底板計(jì)算系數(shù),取0.15~0.20;k2為消力池底板安全系數(shù),取1.1~1.3;U為作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力,kPa;W為作用在消力池底板頂面的水重,kPa;Pm為作用在消力池底板上的脈動(dòng)壓力,kPa;γb為消力池底板的飽和重度,kN/m3。
根據(jù)公式(2)~(9),得到不同下泄流量條件下的消力池尺寸,計(jì)算成果見表4。從表4可以看出,消力池池深計(jì)算工況以躍后水深與下游水深差(hc″-hs)最大為控制工況,隨著橡膠壩下泄流量的增加,消力池池深的計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢,池深控制工況為壩頂溢流水深0.3m,下泄流量113m3/s,此時(shí)池深計(jì)算結(jié)果為0.72m;消力池池長計(jì)算工況以躍后水深最大為控制工況,此時(shí)橡膠壩下泄流量最大,為消力池運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最大流量3323m3/s,此時(shí)消力池水平池長計(jì)算結(jié)果為11.85m;由于消力池內(nèi)設(shè)?100排水孔,大大降低了底板揚(yáng)壓力,消力池底板厚度以抗沖工況控制,消力池底板厚度計(jì)算結(jié)果最大為0.48m。
表4 橡膠壩消力池計(jì)算成果表
根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果并結(jié)合實(shí)際地形、地質(zhì)條件,消力池池深設(shè)計(jì)取1.0m,池長取值12.0m,消力池底板厚度取0.8m。
根據(jù)水工模型試驗(yàn)研究資料及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn),若消力池設(shè)計(jì)得當(dāng),可消殺水流全部動(dòng)能的40%~70%,但其剩余能量對池后河床還可能造成沖刷,且池后單寬流量和流速還比較大,分布也不很均勻,甚至水流紊動(dòng)還比較嚴(yán)重,因此緊接消力池后還需設(shè)置海漫,用于保護(hù)消力池后的河床免遭水流沖刷。
海漫長度可按下式計(jì)算:
式中:LP為海漫長度,m;qs為消力池末端單寬流量,m3/s/m;KP為海漫長度計(jì)算系數(shù)。
經(jīng)計(jì)算,橡膠壩下游海漫長度為24.74m,設(shè)計(jì)取值為25.0m。
下泄水流經(jīng)過海漫后,河床流速分布雖接近正常分布狀態(tài),但在海漫末端仍有沖刷現(xiàn)象,甚至危及消力池護(hù)坦的穩(wěn)定性。因此,為保障充分的消能防沖效果,需對過壩水流繼續(xù)進(jìn)行消能防沖處理,本次設(shè)計(jì)擬在海漫末端設(shè)置下游防沖槽。防沖槽尺寸根據(jù)河床沖刷深度確定,計(jì)算公式如下:
式中:dm為海漫末端河床沖刷深度,m;qm為海漫末端單寬流量,m3/s/m;[v0]為河床土質(zhì)允許不沖流速,m;hm為海漫末端河床水深,m。
海漫末端的河床土質(zhì)為礫質(zhì)粗砂,水閘的單寬流量為10.93m3/s/m,經(jīng)計(jì)算,海漫末端的計(jì)算沖刷深度為5.89m。
實(shí)際工程中,根據(jù)上式計(jì)算的沖刷深度往往偏大,本次設(shè)計(jì)基于以上理論計(jì)算結(jié)果,并參照實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),擬定防沖槽頂寬8.0m,底寬3.0m,深2.5m,槽內(nèi)拋填大塊亂石,頂部設(shè)0.5m厚的格賓網(wǎng)填亂石防護(hù)層。
結(jié)合橡膠壩的控制運(yùn)用方式,分析了建壩后各種工況下的橡膠壩過流能力,以不同工況下的過流流量為分界點(diǎn),據(jù)此進(jìn)行消力池的設(shè)計(jì)計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果擬定消力池的結(jié)構(gòu)。同時(shí),為徹底消殺過池后的水流動(dòng)能,避免其對河床產(chǎn)生有害的沖刷,設(shè)計(jì)中根據(jù)理論及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)在消力池末端布置了一定長度的海漫和防沖槽,進(jìn)一步確保了消能防沖的有效性。計(jì)算結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范及工程實(shí)際,可為今后相關(guān)工程設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)及參考價(jià)值。