柔性护坦与孔口及筛网结合消能功在拦河闸的应用

田春玲，张丽伟

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春130021)

消能功在水利工程中是一项必不可少的建筑物，其效果和投资也比较显著。因此在工程上采用新技术、新结构、新材料和新工艺，以较少的投资，获得较大的经济效益和社会效益，已成为设计者首要考虑的课题。尤其是因消能不充分导致工程破坏占已破坏工程量的61%左右。因此采用一种新型的消能功，不仅可以提高消能率，而且可以节省工程费用。长春市净月乡曙光拦河闸就是利用了一种新型消能功—柔性护坦与孔口及筛网相结合，取得了较好的效果。

1 消能功型式

柔性护坦与孔口及筛网相结合，使水流发生了剧烈的掺气、扩散、内外摩擦和冲击而消耗大部分能量。曙光拦河坝的结构为堤顶溢流的滚水坝，溢流坝面采用柔性护坦—楔形块护砌、坝体填料为透水料，这不仅适应基础冻胀和不均匀深陷引起的变形，而且还因自然形成的多级梯形有利于底部消能，减少冲刷。在靠近左岸9.0m处设一泄水孔，泄水孔出口采用筛网消能功，使高速水流流经筛网，降低了出口水流流速，缩短池长，使主流不直接接触河床，达到了消能的目的。

曙光滚水坝坝顶高程根据上游灌溉用水要求确定为97.5m，设计最大流量为50m3/s，相应的上游水位为98.845m，挑角θ=0°，坝长20m，坝坡1∶5。河床面高程为94.0m，坝高3.5m。泄水孔截面尺寸为1.5×1.0m2。进口底高程为95.853m。筛网为多孔的钢筋混凝土结构，与泄水孔形成刚性整体结构。护砌出口段长8.40m，如采用底流消力池，池长15m，海漫段长20m。经比较可节省工程量64%。

坝后消能采用面流消能。柔性护坦与孔口及筛网消能功相结合，水流流态非常复杂，从水流流态观察，水流分成3股，自左右溢流坝面溢流和泄水孔出流，经筛网消能功水股混掺、碰撞，水流通过筛网与池内水垫对冲而后扩散，平稳地出池，未见回流及不利液态。从运行上看，其防护段未见冲刷迹象。

2 面流消能计算

根据该工程要求，滚水坝上游水位在97.75～98.845m（相应流量为 5.25～50m3/s）间变化时均发生面流衔接。

2.1 坝长的确定

坝长按平槽泄量50m3/s，来确定：

式中 Q—拦河坝泄流量，50m3/s；σs—淹没系数，0.931；m—流量系数，0.367；H—堰上水头，1.345。

2.2 坎高a的确定

（1）在各级流量下最小坎台高度

式中 Fr1—坎上弗劳德数；v—坎上流速；h1—坎上水深；η—η=-0.4θ+8.4，θ为挑角，取 θ=0°。

（2）形成自由面流的界限坎高

式中hokp—临界水头增值，可按下式计算；h1—坎上水深；ht—下游水深；

其中 α1，αt为动量修正系数，取 1.0；t2=a+h1，a为坎高。

（3）形成淹没面流的界限坎高

式中符号意义同前，但在计算a4时A值中t2=a＋hokp。

经计算求得：a1=0.625m、a4=0.8m。

按淹没面流区间设计，应满足：amin＜a≤0.95a4，即 0.52＜a≤0.95×0.8=0.76选取 a=0.55m。

2.3 液态复核

当按淹没面流区间设计时应满足：

式中 ht4—第四临界流态（产生淹没面流）时临界水深值；h″

t5—第五临界流态（产生回复底流）时界限水深；hk—临界水深；a—坎高，0.55m；p—坝高，3.5m。

经计算各级流量下计算结果均满足要求。

3 结语

（1）柔性护坦与孔口及筛网相结合，使水流在离开建筑物时，已发生剧烈的掺气、扩散、内外摩擦和冲击，而消耗大部分能量，因而可缩短池长及消除波浪，节省工程费用，且结构安全可行。

（2）孔口及筛网作为辅助消能功，尚未有确切的计算理论，因此理论上还需要进一步完善。

[1]李炜.水力计算手册[S].北京:中国水利水电出版社.