水工建筑物的消能设计问题分析

2014-04-02张怿

黑龙江水利科技 2014年10期

关键词：海漫消力池河床

张怿

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆库尔勒 841000)

水工建筑物的消能设计问题分析

张怿

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆库尔勒 841000)

水工建筑物的消能设计是水利工程建设的关键，它决定了水工建筑的安全性和稳定性，甚至决定了整个水利工程的安全运行。文章结合某渠首引水工程实例，对水工建筑的消能设计进行深入研究。

渠首；水工建筑物；消能防冲；设计

1 工程概况

某渠首是叶城县主要引水工程，属于大(2)型水利枢纽工程，为Ⅱ级建筑物。但因为该灌区通过七一大渠，从叶尔羌河可以调水，控制了一部分灌溉面积，同时该渠首为低水头引水枢纽，事故情况下不致造成很大的危害和损失，故可以把工程等级降低一级，按Ⅲ级建筑物设计，设计洪水标准取50a一遇，校核洪水标准取500a一遇考虑。本地区地震烈度为7度。其地基承载能力>30t/m2。河床砂砾石容重2.12t/m3，比重2.17t/m3。河床砂砾石内摩擦角：水上38°；水下30°。进水闸灌区第一分水闸的距离约4000m，其引水口高程为1475.5m。

2 消能设计控制

2.1 消能设计不利原因

由于水闸类型的不同，所需要考虑的消能设计条件也不同。这就需要在进行消能设计时，对上下游水位、这闸流量、闸门启闭等情况进行综合考虑。由于消能设计比较复杂，设计条件恶劣是设计过程中经常遇到的问题。在实际设计过程中，很多设计人员在完成闸下消力池水力计算后，都会发现消力池计算深度表现异常，不是深度过大，就是无法取得预期的消能效果[1]。经过研究分析，可以总结出消力池计算深度失误，导致消能率较低的主要原因为：

1)由于上游洪水流量和下游潮位的不断变化，容易导致过闸水流的水位、流量及流速发生不断的变化，在设计时，如果分析不周密，而是过于简单在设定一个上下游水位，就很容易造成消力池计算失误的问题。

2)当下游的水位较低时，如果只考虑到闸门开度、启闭顺序来设计消力池，而没能对下游水面曲线进行合理分析，也容易造成消力池消能率的降低。

3)没能结合实际工况，设置一些消力墩等辅助消能设置，导致出现了水跃现象。

2.2 消能设计控制措施

消力池主要有挖深式消力池、尾坎式消力池以及综合式消力池3种类型。消力池深度以及池底高程设计，应该根据上、下游水位，过闸流量，以及工程区的地质条件等因素来进行确定。有时计算的池深结果会出现零或负值的现象，从理论上讲可以不必设置消力池，但在实际工程中，仍然会设置0.5～1m深的消力池，这样能够有效稳定水跃的位置，调整消力池后的流速分布，达到充分消能的目的。

当水平护坦上没有任何尾坎时的水跃，通常称之为自由水跃，这时需要较长的消力池，但这种结构无法适应各级泄流量，所以也很少应用实际工程当中。当消力池采用挖深式或其它形式时，消力池内会形成强迫水跃，比自由水跃自短，也相对稳定。

在对本工程消能控制进行设计时，由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，所以采用了底流式消能。设计水位或校核水位时闸门全开宣泄洪水，为淹没水流，无须消能，闸前为正常高水位1.8m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下游水位不高，闸下的流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，须设置相应的消能设施，为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，采用闸前水深H=2.4m，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制条件；为了降低工程造价，同时保证水闸安全运行，根据闸门的操作规程，本次设计按1、2孔对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算，找出消力池池深和池长的控制条件；通过计算，为了节省工程造价，防止消力池过深，对开启2孔高度为0.5m的消力池池深为限开条件，得出开启2孔高度为0.9m的消力池池深为控制条件。取消力池长度11m。

2.3 消力池底板厚度确定

消力池底板又可称为护坦，它需要承受高速水流的冲击力、脉动压力以及扬压力的顶托。消力池底板的作用，主要有促使水流在底板范围内产生水跃，以及避免河床受到冲刷。水工建筑中的消力池底板厚度，必须能够同时满足抗冲和抗浮要求。抗冲取决于作用在底板表面的水流冲击力，而抗浮要求则取决到作用在闸基的渗流扬压力。这两种力的性质不同，分析的方法也各有不同。

根据抗冲要求，可根据冲量原理来作为设计底板厚度的依据。从冲力的观点来看，消力池底板首端与末端采用同样的厚度往往不合理，通常首末端池底板厚度的比值可设计为2∶1；根据抗浮的要求来看，采用等厚度的消力池底板也同样存在不合理的问题。因为在低流消能情况下，为了达到良好的消能效果，应该将水跃控制在消力池斜坡末端，这样斜坡上的扬压力通常会大于其它部分，尤其是在跃首部位。因此，通常情况下消力斜坡段的底板厚度应该略大于平底段。

总体来讲水闸消力池底板的厚度设计主要可分为两步，首先是根据抗冲要求来对底板的厚度进行初步的确定，其次是根据抗浮要求来对整个底板的稳定性进行复核。然后，选择两者当中较大值，来确定出底板的最终厚度。但是在实际设计过程中，由于存在许多干扰因素，所以，还需要考虑一些实际问题，比如材料的强度、施工质量、地基性质以及防渗措施等。因此，在设计过程中，有必要选择合理的安全系数。在此次对消力池底板厚度设计中，消力池底板厚度确定为t=1m。

2.4 海漫设计

在水工建筑物的消能设计中，还需要考虑海漫的长度。海漫的长度主要是由消能后的水能大小以及河床上的土质决定的。海漫的长度需要根据局部刷坑的深度，海漫末端的保护措施，以及地层的变化等多种因素来进行设计。在设计时，设计者应该根据河床的具体情况来处理。如果河床表面的土层较为坚硬，且厚度不大，且其下卧层的结构主要为砂土，那么当在遇到承压水后，为了避免结构受到冲击破坏，为了保证表层土的完整性，就需要对海漫进行必要的处理。海漫的长度，原则上，应该以海漫末端不发生冲刷或局部冲刷坑尝深度不超过允许值为依据。在本工程中的海漫设计中，由于闸基土质为中粉质壤土，在经过计算后，最后确定海漫长度为12m。

2.5 防冲槽设计

水流过海漫后，多余能量得到了进一步消除，流速接近河床水流的正常状态，但在海漫末端仍有冲刷现象，甚至会对护坦造成破坏。要想河床完全不受冲刷破坏，就需要将海漫设计的足够长，这种作法非常不经济。因此，可以通过在海漫末端设置防冲槽的方法，来保证结构安全和节省工程量。防冲槽就是在海漫末端开挖的土槽中堆放一定量的块石，槽顶通常与海漫末端平齐，而槽底的高程则由堆石数量、施工开挖等条件来决定。参照已建水闸工程的实际经验，防冲槽大多采用宽浅式的，一般深度取t=1.5～3m，此时槽顶高程与海漫末端齐平，防冲槽的底宽约为槽深的1～2倍。本工程确定的防冲槽深度d′取3m，底宽b=5，上游坡率m1=3,下游坡率m2=3。