广西钦州市青年水闸消能防冲建筑物设计初步研究

摘 要： 通过对广西钦州市青年水闸除险加固工程进行消能防冲计算，对工程消能防冲建筑物进行设计。

关键词： 广西钦州市青年水闸；消力池；闸门开启调度；坝址下游H～Q

1 工程概况

钦州市青年水闸工程位于广西沿海钦江流域的下游的钦州市城郊，闸址距离钦州市城区中心约5km，工程于1959年动工兴建，1960年基本建成，是一座以灌溉和城市供水为主，兼有发电、航运等综合利用的水利工程。水闸集水面积2140km2，正常蓄水位8.5m，总库容为6150万m3，设计引水流量11.3m3/s，洪水期设计最大过闸流量3610m3/s，属中型水庫，大二型水闸。闸上游左右岸设有引水灌溉和城市供水引水口，设计灌溉面积12.17万亩，近期设计供水规模为22万t/d；现状供水人口30万人，是钦州市生活和工业用水的主要水源点。2008年11月，经水闸安全鉴定，评定青年水闸安全类别为四类。主要结论有：闸泄洪能力、闸顶高程不足，防洪标准不满足现行规范要求；水闸抗滑稳定和渗流稳定不满足要求；消能防冲能力不满足要求；凝土表面碳化刷严重，强度降低；闸门、启闭机锈蚀严重，闸门漏水，电气设备老化；无观测设施等。

青年水闸除险加固设计维持现有工程任务，主要处理措施为拆除原闸坝重建。从旧闸运行情况看，旧闸消力池及海漫底板结构松散、护面单薄，运行以来多次发生冲刷破坏及冒砂现象，虽已多次进行修补加固，但仍未能解除险情，严重影响到闸坝安全，因此，除险加固设计中，消能防冲设计显得尤为重要。青年水闸库区属丘陵区，水闸以下为平原区，根据水闸设计规范规定，闸下游消能防冲（消力池）设计洪水标准按50年一遇考虑。其建筑物级别按2级考虑。

2青年水闸闸门调度规则及坝址下游H～Q

青年水闸为低水头运行闸坝，且汛期洪水入库时闸门全开不蓄水，青年水闸建成至今远未淤积至堰顶高程6.0m。由于青年水闸天然来水量较大，能满足灌溉和城市供水要求，无需水闸调节库容。加固后水闸设有12孔直升式平板钢闸门，采用固定启闭机启闭。新水闸的调度原则与现状基本保持一致，根据来水情况，仍按闸上水位为正常水位8.5m控制下泄，并考虑水闸敞泄洪水。提升闸门时要遵循先中间后两侧的原则，先打开中间5#和6#闸门，然后打开4#和7#闸门，依此顺序直至闸门全部打开；下降时，闸门关闭顺序与提升顺序相反，先两侧后中间，严禁闸门由一侧向另一侧逐孔启闭。

（1）青年水闸闸下受潮水影响后H～Q综合关系曲线

青年水闸闸下受潮水影响后H～Q综合关系曲线见表1。

表1 青年水闸闸下受潮水影响后H～Q综合关系曲线关系成果表

3消能方式选择

青年水闸最大过闸流量为3610m3/s，为II等工程，大（2）型水闸，水闸下游消能防冲（消力池）设计洪水标准按50年一遇考虑，下泄流量为2900 m3/s。初步选定采用底流消能型式。

4消能防冲计算

（1）闸门开启调度优化

本次设计在满足枢纽总的运行调度要求的前提下考虑了平板闸门自身特性、厂用配电容量等因素后初拟按下述方式开启闸门：

水库需下泄特定流量洪水时，闸门按左9孔同步开启，待开度达到2m时停止开启这9孔，再开启右3孔达到开度2m，如此反复直到闸门开启至达到相应泄流能力要求的孔口开度。在达到消能防冲建筑物的洪水标准50年一遇的下泄流量2900m3/s，此时12孔全开敞泄。最大单宽流量约26.85 m3/s。

另外，考虑可能会出现的单孔开启下泄极小流量的情况，此时单孔开度不能大于0.5m，相应下泄流量为70 m3/s。

综合以上考虑，本阶段试算了当上游水位为8.5m时控制泄流量，闸门在左9孔分别分步开启0.5m、1m、1.5m、2m；右孔分步开启1m、2m；1孔开启0.5m；左右岸12孔闸门全开等共9个闸门开启工况。

（2）消力池池深池长的计算

① 消力池消能坎高度

根据《水力计算手册》（中国水力水电出版社2006第二版）中公式，消力池消能坎高按下述公式进行计算。

式中：C——消力坎高度（m）；

σ——安全系数，一般取1.05～1.1，本工程采用1.05；

σs——坎的淹没系数，查表；

hc——跃后水深（m）；

hc——收缩水深（m）；

q——过闸单宽流量（m2/s）；

b——消力池宽度，（m）；

φ——堰的流速系数，本工程取0.90；

hs ——出池河床水深（m）。

② 消力池长度：

Lsj=Ls+βLj

Lj=6.9 （hc+ hc）

式中：Lsj——消力池长度（m）；

Ls——消力池斜坡段水平投影长度；

Β ——水跃长度校正系数，一般取0.7～0.8，本工程采用0.75；

Lj——水跃长度（m）。

③ 消力池底板厚度按规范中的公式进行抗冲、抗浮计算：

（抗冲）

（抗浮）

由于消力池底板设有排水孔，消力池底板渗透压力为0，故只验算始端厚度。

t——消力池底板抗冲始端厚度（m）；

t1——消力池底板抗浮始端厚度（m）；

△H`——闸孔孔泄水时的上、下游水位差（m）；

k1——消力池底板计算系数，一般取0.15～0.2，本工程采用0.18；

k2——消力池底板安全系数，一般取1.1～1.3，本工程采用1.2；

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系数（kPa），其值可取跃前收缩断面流速水头值的5%。

④ 海漫长度计算

消力池后接海漫，根据《水闸设计规范》，海漫长度计算公式如下：

式中：Lp—海漫长度（m）；

qs—消力池末端单宽流量（m2/s）；

Ks—海漫长度计算系數，对中粗砂取12～11，本工程取11；

ΔH`—泄水时上下游水位差△H`。

⑤ 河床冲刷深度计算

海漫末端的冲刷深度，根据《水闸设计规范》，按以下公式计算：

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）；

hm—海漫末端河床水深（m）。

⑥ 计算结果

表2 消能防冲计算成果表

在各级泄洪流量下，所需的消力池池深、池长、底板厚度、及海漫长度计算成果见表2。

计算结果分析：经试算，底流消能状态与淹没出流状态之间的分界（临界）流量约为1000m3/s。从计算成果表中看出，消力池深度由较小流量控制，当水闸泄流量为192 m3/s时，计算得消力池最大深度为0.97m，底板最大抗冲厚度为1.07m；而消力池长度则由最大设计（P=2%）流量控制，当水闸泄流量为2900m3/s时，计算得消力池长为40.3m，底板最大抗浮厚度为1.1m；计算得海漫长为33.58m，海漫末端冲刷深度为1.98m。

5 消能防冲建筑物布置及结论

（1）消力池

枢纽消能防冲建筑物洪水标准采用50年一遇，在闸门按照本次设计拟定的调度开启原则的情况下，结合工程布置以及地形地质情况，消力池以保留的混凝土纵堰为界划分为左右两部分。纵堰左侧消力池宽度为99.8m，消力池长41m，其中斜坡段长14.8m（前端5.5m设在闸底板的下游侧）；底板厚度为1.5m，面层设防裂钢筋，消力池深2.0m，末端设消力坎，坎顶与地面齐平。纵堰右侧消力池宽度为33.2m，消力池长41m，其中斜坡段长8.8m（前端5.5m设在闸底板的下游侧），底板总厚度为2m，消力池深1m。

在消力池底板设置间距2.5×2.5m梅花形布置的无砂混凝土排水体排出基底渗水。宣泄常遇洪水时优先使用左侧9孔消力池消能。

（2）海漫

消力池出口下游河床地基上部为砾砂层，土质松散，抗冲刷能力弱，在水闸下泄高速水流冲刷下，极易产生冲刷破坏。为了避免消力池下游河床受到冲刷破坏，经计算确定下游设海漫总长度35 m，其中水平段C20混凝土海漫长10m，斜坡段格宾网石笼海漫长25m，按1：50的坡度斜向下游，海漫厚度均为0.5m。为适应沉陷变形，混凝土海漫底板顺水流方向分缝与消力池底板相同。

（3）防冲槽

在格宾网石笼海漫后设置格宾网石笼防冲槽，底宽3.0 m，槽深约2.5m，顶部高程为1m，底部设置在基岩面，防冲槽开挖边坡采用1：2，上游与海漫相接，下游与河床原地面顺接。

左9孔消力池断面见图1。

总而言之，本工程虽然水闸的水头不大，但是由于水闸过闸流量大，加上河道土质抗冲能力较小，将出现消能防冲的较不利工况。因此在消能防冲建筑物设计时应当考虑水流出池之后的冲刷影响，同时应加强闸门运用管理，运行中要求遵守均匀齐步、分级开启、间隔对称等启闭原则，力避开启、关闭时大起大落的运用方式。■

参考文献

[1] 水力计算手册 第二版/李炜主编 [M]，北京：中国水利水电出版社，2006.

[2] 《取水输水建筑物丛书 水闸》[M]，北京：中国水利水电出版社，2003.

作者简介：彭高著（1988—），男，广西河池人，广西水利电力勘测设计研究院工程师，主要从事水利水电工程设计工作。