北溪水闸枢纽下游消能防冲设施除险加固研究

2011-08-08林建洪

东北水利水电 2011年1期

林建洪

（福建省九龙江北溪管理局，福建龙海 363107）

1 概述

北溪水闸枢纽位于九龙江北溪下游郭洲头，由南、北港拦河闸，南、北港船闸和中干渠进水闸、节制闸组成，工程原设计为3级建筑物，于1980年建成投入运行。水闸枢纽下游为感潮河段，闸基地层为滨海相和河流交错沉积的地层结构，从闸室底板自上而下分布有厚度不均的中粗砂、蛎壳杂淤泥、淤泥质砂、蛎壳杂淤泥质砂、软粘土、砂壤土杂卵石等地层。工程采用井柱桩或连续底板基础。1999年水闸进行安全检测与评估，评定为3类工程，需经全面除险加固才能正常使用。检测结果认为：北溪水闸消能防冲设施虽然经过多次加固处理，但闸下最低水位已由建闸时-0.24 m降至-1.59 m，并有继续下降趋势，消能防冲设施未能充分发挥作用，出现不同程度冲刷破坏。水力学复核计算及水工模型试验均表明，下游水位降低后，出池水流与海漫水流不能良好衔接，水流在海漫和防冲槽段发生二次水跃，造成海漫、防冲槽及下游河床冲刷。此外，消力池池深也略显不足、护坦板厚度不够且材料整体性差，消能防冲设施难以满足要求。

2 消能防冲设施复核

由于下游水位降低，使原有的设计条件发生了改变，现采用理论方法复核原消能防冲设施的结构尺寸是否满足各运行工况要求（本文仅以南港水闸为例）。

2.1 计算公式

2.1.1 消力池计算

1）消力池深度计算：

式中：d——消力池深度，m；σ0——水跃淹没系数，采用1.05；hc″——跃后水深，m；hc——收缩水深，m；α——水流动能校正系数，采用1.05；q——过闸单宽流量，m3/(s·m)；b1——消力池首端宽度，m；b2——消力池末端宽度，m；T0——由消力池底板顶面算起的总势能，m；△Z——出池落差，m；hs′——出池河床深度，m。

2）消力池长度计算：

式中：Lsj——消力池长度，m；Ls——消力池斜段水平投影长度，m；β——水跃长度校正系数，采用0.8；Lj——水跃长度，m。

3）消力池底板厚度计算：抗冲厚度：

抗浮厚度：

式中：t——消力池底板始端厚度，m；△H′——闸孔泄水时的上下游水位差，m；k1——消力池底板计算系数，采用0.20；k2——消力池底板安全系数，采用1.1；U——作用在消力池底板底面的扬压力,kPa；W——作用在消力池底板顶面的水重，kPa；Pm——作用在消力池底板上的脉动压力，kPa；rb——消力池底板的饱和重度，kN/m3。

消力池末端厚度，可采用t/2，但不宜小于0.5 m。

2.1.2 海漫长度计算

式中：dm——海漫末端河床冲刷深度，m；qm——海漫末端单宽流量，m2/s；[v0]——河床土质允许不冲流速，m/s，采用[v0]=0.5～0.7 m/s；hm——海漫末端河床水深，m。

2.2 复核计算条件

考虑闸下低潮水位泄流情况，分别选用正常蓄水位（闸门不同开启度）、设计洪水位、校核洪水位等工况进行复核。

对于上游正常蓄水位运行情况，下游水位采用前一级开度泄流量的下游水位，求出跃后水深与下游水深之差值最大时所对应的闸门开度作为控制工况，经计算取闸门开启度0.2时作为控制工况计算。南、港闸消能防冲复核计算工况见表1。

表1南港闸消能防冲复核计算工况表(受下游最低潮水位影响)

式中：LP——海漫长度，m；qs——消力池末端单宽流量，m2/s；ks——海漫长度计算系数，采用ks=10。

2.1.3 河床冲刷深度计算

计算工况泄流方式上游水位/m下游水位/m单宽流量/m3·（s·m)-1 出流型式正常蓄水位1 先启孔(5～11号)初始泄流，开启高度0.2 m 4.80 -1.59 1.33 闸孔自由出流正常蓄水位2 先启孔全开下游水位稳定后，后启孔开启0.2 m 4.80 -0.94 1.33 闸孔自由出流设计洪水位闸门全开 7.58 7.36 30.90 堰顶溢流校核洪水位闸门全开 8.24 7.93 38.10 堰顶溢流

2.3 复核成果及结论

复核计算成果（见表2）表明：

1）上游为正常蓄水位4.8 m，闸门小开度情况下，海漫实际长度能满足计算要求，但消力池深有所不足，水流在池后发生远驱水跃；当上游出现设计洪水，闸门全开时，南、北港闸消能防冲设施规模略显不足；原消力池底板采用浆砌石，无排水设施，其抗浮厚度不够。

经分析，原有消力池破坏可能是由于消力池底板抗浮稳定不满足要求，加之防渗设施失效，底板与闸基土之间受渗流作用可能出现接触冲刷，从而导致基土流失，底板出现塌陷而损坏。此外，护坦板的破坏可能还与其采用材料整体性较差有关。

2）下游海漫及防冲槽破坏可能是由于闸下河床下切，闸下水位下降，使消力池后出现急流流态或远驱水跃，造成海漫、防冲槽与闸下河床受水流冲刷破坏；此外，由于闸下河床下切，防冲槽后河床水深大于海漫水深，当海漫出现急流，而下游河床出现缓流时，在防冲槽附近发生二次水跃，导致防冲槽及下游河床损坏。

根据复核成果及上述分析，原消能防冲设施难以满足现有水位条件要求，消能效果不能充分发挥，需对消能防冲设施进行全面加固。

3 消能防冲设施加固方案

3.1 加固设计原则

1）基本维持原闸室调度顺序，即：闸门尽量保持分级、同高启闭，从中间孔至两侧闸孔依次对称开启，由两侧闸孔向中间依次对称关闭闸门；闸孔运用顺序为南港先启孔、北港先启孔、南港后启孔、北港后启孔，在全部闸门未处于同一级开度时，不得再提高一级闸门开度。

2）消能设施在各种的水力条件下，都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且尽可能与下游河道良好衔接。

3）保证加固的技术可靠、方案可行、投资节省、运行管理灵活，同时消能防冲设施的加固不应对闸室稳定造成危害。

3.2 消能防冲设计方法

设计采用水力学计算与水工模型试验相结合的方法，其中水力学计算公式采用SL265-2001《水闸设计规范》(附录B)中规定进行。

影响消力池水力条件的因素很多，情况比较复杂。一般来说，控制消力池的主要影响因素有水闸的上下游水位差、过闸单宽流量、下游水深、闸门开启程序、开启孔数、开启高度等。此次消力池设计中依次考虑了设计选用的上、下水位，过闸单宽流量，闸门的初始开启高度、开启孔数以及开启级差等各种水力条件，从中找出控制消力池池深、池长、底板厚度的最不利的水位组合进行计算。

表2 南港闸消能防冲复核计算成果表

3.3 消能防冲设计水位及流量

1）正常蓄水位情况：上游水位4.8 m；由于闸下水位受下游潮位影响，为变动水位，因此计算时主要考虑闸下低潮水位泄流情况。

2）设计洪水位情况：上游水位7.58 m；下游水位7.36，Q=10 300 m3/s。

3）校核洪水位情况：上游水位8.24 m；下游水位7.93，Q=12 700 m3/s。

3.4 南港闸消能防冲设施加固研究

3.4.1 闸门开启方式拟定

1）闸门初始开启高度选择

采用上、下游水位差最大(上游正常蓄水位4.80 m，下游最低水位-1.59 m)开闸泄水的工况作为计算工况。初拟闸门初始开度为0.2，0.3，0.4 m，单宽流量按瞬时流量计算。计算成果表明，随着闸门初始开度的增大，泄量增大，所需消力池池深及池长也随之增加。而消力池底板高程降低将导致消力池中流速、脉动压力及底板扬压力增大，消力池工程量的增加；此外，消力池与闸底板高差过大，很可能对闸室稳定造成不利影响。因此本阶段拟定初始开度为0.2 m。

2）先、后启孔孔数及闸门开启级差的确定

消力池先启孔孔数对后启孔池深有一定影响，先启孔孔数过少，会造成后启孔池深增加，先后启孔消力池底高程间差异不大；先启孔孔数过多，会增加工程量。经试算，从工程量及水位衔接等方面综合考虑，仍维持原先启孔数7孔不变。

闸门开启级差对消力池设计也有一定影响，开启级差过大，会增加消能工工程量；级差过小，又使运行管理复杂。由于下游水位较低，在闸门小开度情况下，消力池运行条件较差。初步确定当闸门开启度大于1.0 m时，闸门开启级差为0.5 m；着重研究闸门小开度时的开度级，对每级提升高度0.2，0.3，0.4，0.5 m等4种开启级差方式分别进行计算，下游水位采用前一级开度泄流量的下游水位，单宽流量按瞬时流量计算。后启孔在先启孔保持一定的泄流量，闸下形成一定的水位后再启用。

计算成果表明：闸门小开度时，开度级差若大于0.5 m，则消力池池深须增大，消力池底板厚度须加厚，既增加了工程量，又不利于消力池及闸室稳定。因此闸门在小开度时，开启级差不宜大于0.4 m，消力池的尺寸按此开启方式进行设计。闸门最终开启方式须根据水工整体模型试验及闸门试运行情况，在满足消能前提下选定，使闸门的启闭操纵更加灵活方便。

3.4.2 消力池加固方案

1）布置方案比较

计算分析表明：上游正常蓄水位、下游最低潮水位时，水闸小流量初始泄流（开启度e=0.2 m）时，跃后水深与下游水深之差最大，以此情况为消力池深度的控制工况。在闸门开启高度由2.0 m开启至2.5 m的瞬时，跃后水深与跃前水深之差有最大值，以此情况作为消力池长度的控制工况，但是，此工况下水跃淹没度较大，所需消力池长度较计算长度短。

消力池加固分别初步考虑了以下两个方案。

方案一(一级池)：根据计算，在控制工况条件下，先、后启孔消力池底顶高程分别为-3.65，-3.20 m，先、后启孔消力池长度分别为28.5，25.6 m。为使消力池具有较强的适应性，结合模型试验情况，设计中先后启孔消力池池深分别选用-4.0，-3.5 m，较计算值略深。具体布置方案如下：

拆除原滤渗板及消力池，采用混凝土结构加固。重建后的消力池采用一级池布置方案，其结构型式、运行方式和孔数基本同原消力池。消力池先、后启孔消力池全长分别为36.0，31.0 m，分斜坡段和水平段两部分，先启孔(原5—11号)水平段顶高程降低为-4.0 m；后启孔水平段顶高程降至-3.5 m。先启孔消力池内设置了一道高约1.3 m的消力槛。消力池水平段与闸底板间采用1∶4斜坡段相连。先、后启孔消力池用隔墙隔开以消除回流影响，隔墙顶高程-1.0 m。

方案二(二级池)：将方案一中先启孔采用二级消力池型式。第一级消力池长23.0 m，底部顶高程-3.5 m，消力池由斜坡段和水平段二部分组成，斜坡段自闸室底板用1∶4的坡度降至消力池底部高程，水平段长15.0 m，池后尾槛顶高程-2.0 m；第二级消力池长22.5 m，底部顶高程-4.5 m，两级消力池间采用1∶4的斜坡相连。重建后的后启孔消力池结构同方案一。先、后启孔消力池用隔墙隔开以消除回流影响，隔墙顶高程-1.0 m。

两方案在理论上均能满足在池内发生淹没水跃，及出池水流与下游水位的良好衔接。且经水工模型试验验证，在小流量初始泄流时属于弱水跃消能，两方案消能率相差不大，池后流速属同一量级，从消能方面而言两方案差别不大。根据《水闸设计规范》建议及其他工程经验，在池中加设消力槛，有助于增加消能率，调整流态，模型试验对此进行了验证，因此从改善流态的角度，两方案也基本相同。但就施工难易程度及工程量而言，方案二大于方案一。综上所述，采用方案一、即一级池为推荐方案。

2）消力池护坦板结构设计

①消力池底板厚度确定

本闸室消力池底板厚度由抗浮和抗冲稳定两方面确定。抗冲厚度由上下游水位差和单宽流量确定。经计算，抗冲厚度受校核洪水位情况控制，需0.78 m。而抗浮厚度由下游水位、闸门泄流方式及底板深度确定,当下泄水流自由出流，且下游水深与消力池收缩水深差值最大时，底板所需抗浮厚度最大。经试算，当正常蓄水位，闸门开启0.4 m时为底板抗浮稳定控制工况。由于先后启孔池深相差不大，本阶段仅选用先启孔底板分为两段进行计算。若底板扬压力全计，南港消力池底板始段计算厚度大，考虑底板设置排水孔，参照溢洪道现行设计规范中有关规定，可将底板扬压力折减20%，护坦板前段按抗浮计算厚度取值，采用1.3 m厚；后段按抗冲厚度及规范规定取值，采用0.80 m厚。

②消力池底板强度计算及构造要求

经计算，在各种工况下，加固后的护坦板底板结构满足强度和裂缝要求。

消力池底板采取如下构造措施：消力池底板内增设排水孔，其下设反滤层，以稳定消力池底板下砂层；消力池护坦板与闸室底板以及护坦板之间设止水。

3.4.3 海漫及防冲槽加固方案

选用设计和校核洪水位计算海漫长度以及下游河床冲刷深度。计算成果表明，海漫及防冲槽尺寸受校核工况控制。根据计算，海漫及防冲槽采用如下加固方案：先、后启孔海漫分别加长至43.0，48.0 m，由两段组成：前段为水平段，采用浆砌条石海漫，顶高程降低至-3.0 m；后24.0 m为斜坡段，自浆砌条石海漫顶高程接至防冲槽顶高程，斜坡段采用干砌条石，其下铺设土工布。防冲槽顶高程-4.0 m，根据下游河床冲坑最深时，块石可能坍塌时所需数量，确定防冲槽长21.0 m，深2.5 m。