水工建筑物的消能设计问题探讨

吴晓勇 金淑南 熊鹭

【摘要】在社会经济持续增长背景下，水工建筑数量和规模不断扩大，同时也对新时期的水工建筑物的建筑质量提出了更高的要求。水工建筑物建设前，需要充分做好前期设计工作，尤其是消能设计的合理性，直接关乎到水工建筑物的整体建设安全和质量，对于后续的水利工程运行安全意义较为深远。本文就水工建筑物的消能设计中存在的问题进行分析，提出合理对策予以实践。

【关键词】水工建筑物；效能设计；问题；稳定性

水利工程关乎社会民生，在新时期社会经济增长背景下，水利工程规模进一步扩大。为了能够充分发挥水工建筑物的防洪、农田灌溉和水力发电作用，应该做好前期的水工建筑物消能设计工作。但是由于水工建筑物消能设计需要考虑的内容较为多样，很容易受到客观因素影响，导致消能设计出现缺陷和不足，为后续的水利工程建设埋下安全隐患。所以，需要提高设计人员的专业能力，全方位考量，优化水工建筑物的消能设计，促使工程原有作用充分发挥。加强对其研究，可以为后续工作开展奠定基础，具有一定促进作用。

一、工程概况

某工程为引水工程，属于大型水利枢纽工程。由于灌区内需要通过七一大渠，占用了部分灌溉面积，该渠首为低水头饮水枢纽。一旦出现安全事故，将带来严重的危害和经济损失，所以可以适当的降低工程等级，按照Ⅲ级建筑物进行设计，洪水标准按照50年一遇标准进行考量。该地区地基承载能力超过30t/㎡。河床砂砾石内摩擦角度为水上39°，水下30°，引水高程大概在1476m左右。

二、水工建筑物的消能設计控制

（一）消能设计的不利因素

由于不同水利工程水闸类型的多样性，所以需要综合考虑消能设计条件，在消能设计中能够考虑上下游水位、闸门启闭和闸流量等问题。消能设计工作较为复杂，涉及内容较广，设计条件好坏是是消能设计中主要考虑的问题之一。在具体的消能设计中，设计人员需要保证科学计算闸下消力池水力情况后，可能出现计算深度异常问题，但并非是深度过大，而是难以满足预期消能目标。通过大量的实践研究分析，发现导致水工建筑物的消能设计效率偏低的原因表现在以下几个方面：（1）上有洪水流量和下游潮位变化较快，相应的导致过闸水流水位和流量随之变化。在消能设计中，如果设计人员考虑不全面，或是简单的设定一个上下游水位，可能出现消力池计算失误问题。（2）下游水位较低情况下，如果仅仅考虑闸门开度和启闭顺序，未能合理分析下有水面曲线，同样可能导致消能效果处于一个较低水平。（3）未能充分结合工程情况，设置相配套的消力墩，可能在后续工程投入使用中出现水跃问题。

（二）消能设计控制对策

就消能池来看，主要有综合式消力池、挖探式消力池和尾坎式消力池几种类型。消力池深度和池底高程设计中，需要综合考量消力池上下游水位和流量，在把握工程相关地质条件基础上进一步确定。但同时，可能出现池深结果出现负值问题，理论上可以不设置消力池，但是工程具体施工中，条件允许情况下仍然需要设置1m左右的消力池，主要是起到稳定水跃位置的作用，动态调整消力池流速分布情况，实现消能目的。

水平护坦方面，由于并未出现水跃现象，所以需要设置较长的消力池，但是这种结构难以满足当前消力池泄流量需要，所以在工程施工中很少应用。如果是选择挖深式消力池，可能会出现强迫水跃现象，较之自由水跃而言时间更短，但是稳定性也将随之提升。

工程消能控制设计中，本闸主要是在平原地区，河床抗冲刷能力较小，所以选择底流式消能设计，采用全开宣泄洪水，无须消能处理。闸前为正常高水位1.8m，布局开启闸门，宣泄流量较小，下游水位不高，流速较大，在这样的冲刷作用下逐渐形成冲刷河床现象，需要借助相应的消能装置予以解决，确保无论高度多少情况下都可以淹没式水跃消能。采用闸前水深为2.4m时，闸门局部开启，为消能防冲设计提供良好的控制条件。与此同时，为了可以有效降低工程造价，确保水闸安全运行，需要严格遵循闸门操作规程，优化工程设计，开启度组合计算，寻找合理的消力池控制条件，合理计算后寻求降低工程造价的条件，但同时避免消力池过深，影响到消能效果。

（三）消力池底板厚度确定

消力池底板也可以将其称之为护坦，需要承受高速水流冲刷力，同时还需要承担起顶托作用。消力池底板可以在地板范围内产生小范围的水跃，尽可能避免冲刷作用下形成河床冲刷现象。水工建筑中的消力池底板厚度需要充分满足抗浮要求和抗冲要求，抗冲力主要是取决于底板表面水流冲击力，而抗浮则受到闸基渗透扬压力决定。由于两种压力所属性质不同，所以选择的分析方法同样存在明显的差异。

结合具体的抗冲刷要求，结合冲量原谅来确定底板厚度。消力池底板首位厚度设计不合理，一般情况下首末端底板厚度为2：1，结合抗浮实际要求，如果选择同等厚度的消力池底板局限性较大，将严重影响到消力作用。故此，为了能够有效提升消能效果，应该尽可能在消力池斜坡末端有效控制水跃，促使斜坡扬压力远远超过其他区域的扬压力，尤其是首端。所以，一般情况下消力斜坡段底板厚度要远远高于平坦区域。

消力池底板厚度设计十分关键，具体主要包括两个方面，结合抗冲要求来确定底板厚度，然后结合抗浮要求复核底板稳定性。选择较大值，最终确定底板的厚度。

结论：

综上所述，在水工建筑物消能设计中，需要充分提高对消能设计重视程度，深入剖析消能设计中存在的不利因素，寻求合理的控制措施予以实践，同时提升设计人员的专业能力，综合考量消能设计内容，确保工程原有作用充分发挥。

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