浅谈黑龙江地区水工建筑物消能结构的应用

施连功 王国升

（木兰县水利勘测设计队，黑龙江 木兰 151900）

浅谈黑龙江地区水工建筑物消能结构的应用

施连功 王国升

（木兰县水利勘测设计队，黑龙江 木兰 151900）

从总体布置和结构形式方面采取经济合理、安全可靠的防冻措施，取多种消能结构形式之所长，组成封闭式组合消能。这种组合消能工建于年最大冻胀量达30cm左右的冻土观测上，经过十年观测证明，总体没有冻胀变形的现象，效果很好。

组合式；消能建筑物；应用

1 组合式消能结构的基本形式

水工建筑物需要消能的主要是跌水和涵闸，因此组合式消能工主要解决以下2个问题。

1.1 筛网（或筛梁）消能与井消能结合

带跌差的闸（或跌水）在竖井上布置消力梁（或消力网）与井消能组成分层组合式消能，见图1。实际运用是水流在井口改变方向下落直射到消力梁（或消力网）上，水流经消力梁（或消力网）撞击作用消耗一部分能量，同时大量掺气，然后细小水注落到消力井后、互相撞击再次消能，经梁、井双层重复消能，效果稳定可靠。

1.2 消力齿、消力栅和底流消能相结合

图2所示的节制闸是将传统开敞闸变成封闭闸，或是把一般的封闭式闸洞外单设的开敞消力池段取消，把洞稍加改造，变成既能输水、消能又是闸身，同时在洞消力池内加消力齿、消力栅，并与底流消能相配合组成多层次消能。虽然消能容积小，但经多层重复消能，其效率高。

图1 消力梁与井组合消能纵剖图

图2 消力齿、消力栅与底流组合消能

2 冻胀特性分析

2.1 总体布置集中、严紧，利于抗冻胀

组合式消能工的主要特点是充分利用有限消能空间做多层次重复消能，有利于抗冻胀。图1所示梁、井综合消能工，它和传统开敞陡坡或直跌式相比，用一个平面面积很小的竖井及卧拱代替开敞式跌水（或闸）的进口段、陡坡段、消力池段吉海漫段等，纵向长度减少约2／3。消力梁和消力井为竖向空间分层布置，消能工平面尺寸小，受冻部位和面积小，且进出口基础在一个平面上，土质相同，冻胀量和冻胀力均匀。图2的封闭式组合消能工于传统的洞外开敞式消能工（开敞式底流消能工也是如此），在总体布置上彻底取消了洞外单设的开敞消能力池部分，使纵向长度减少1／2，使阵线集中严紧，薄弱环节少，有利于抗冻胀。

2.2 采用抗冻胀好的结构形式

组合式消能工都是以力学性能优越、抗冻胀性能良好的壳体结构为主体。①图1的消力梁布置在进口竖井中就充分利用了竖井圆抗冻胀优越的特点，该竖井圆为圆周对称受冻胀力，其水平冻胀力大小相等，方向相反，通过抗压性能好的竖井圆传递作用而平衡；②这些封闭式组合消能工卧洞大都采用拱形梁结构，其抗冻胀性能良好，拱上填土也成拱形受压应力状态，成拱形的较坚硬的冻土互相挤压抵消了冻土自身产生的冻胀力，使拱本身直接受冻胀力的作用小。实际上拱上填土不是立即冻得很厚的，而是分层冻结的。先冻结的较坚硬的冻土形成冻结土拱壁，抵抗了下层冻土产生的冻胀力，使土层层冻结，层层形成冻结土拱壁，层层抵消冻胀力。拱为双侧受水平冻胀力，其水平冻胀力大小相等，方向相反，通过抗压性能好的拱的传递作用而平衡，拱侧的切向冻胀力沿拱的斜曲面滑动，活动底板的变形作用了衰减了基底反向冻胀力。

小型水工建筑物的组合式消能工是在减少建筑物消能工尺寸，提高抗冻胀性能的情况下，尽可能利用有限消能容积或空间做到多层次重复消能，提高消能效率。组合式消能工大都以竖井消能为主体，在此基础上布置消力网、消力梁、消力齿、消力栅等组成组合消能。工程实践证明组合式消能工消能效率高，节省工程量，抗冻胀性能好，长期运用安全可靠，是一项有发展前途的消能工型式。

[1]SL23-91，渠系工程抗冻胀设计规范[S].

[2]SL211-98，水利建筑物抗冻胀设计规范[S].

TU745.39

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