大民湿地进水闸消能方式的选定

2021-05-24杨庆华

黑龙江水利科技 2021年4期

杨庆华

(齐齐哈尔市水利勘测设计研究院，黑龙江齐齐哈尔 161006)

1 工程简介

齐齐哈尔市大民湿地位于黑龙江省齐齐哈尔市西南，距城区18km，原为嫩江天然河道，于1970年作为齐齐哈尔市污水处理用地改造为氧化塘，后经1987年、1998年进行两次改造扩建，利用自然净化原理和嫩江的自净作用，形成冬储夏排、枯储丰排的运行机制，成为全国最大规模的氧化塘。

大民湿地与嫩江连通工程任务是在现有工程基础上，通过新建进水闸、清淤河道、加固湖岸等工程措施，使大民湿地水流动起来，水质与嫩江接近，并达到一定的景观效果。

大民湿地占地807 hm2，工程实施后，大民湿地水面面积681hm2，增加水面面积324 hm2，增加蓄水量332万m3，湿地年补水量528万m3。

进水闸位于大民湿地围堤3+588处，为进水涵闸，孔口尺寸为2.5m×2.5m×2(宽×高×孔数)。闸中轴线与大民湿地围堤垂直。工程布置主要由进口护岸、引渠护砌段、铺盖段、前闸室段、洞身段、后闸室段、消力池段和海漫段组成。

2 进水闸消能方式

水工建筑物消能方式主要有底流消能、挑流消能和面流消能3种形式，相应的消能工为水跃消能、挑流鼻坎、戽斗和跌坎。

2.1 底流消能

底流消能设施通常为消力池，利用下泄高能急流到缓流产生水跃进行消能。适用于各类地基上中低水头建筑物，对尾水变化适应性强。底流消能优点：水跃稳定，安全可靠，消能效果好，下游水面波动小。缺点：消力池的底板较厚且长工程量大，增加工程造价，水头较高时消力池的前端易产生空蚀。当闸下尾水深度小于跃后水深时，可采用下挖式消力池消能。

2.2 挑流消能

挑流消能是在建筑物末端设置挑流鼻坎，水流向下游挑射，射流在水垫内消能，与下游缓流衔接。适用于高、中水头地质条件较好的建筑物消能。挑流消能的优点：结构简单，节省防护工程量，可降低造价，消能效果好。缺点：空中雾气大，尾水波动大，要求下游河床抗冲能力强。当水闸承受水头较高，且闸下河道及岸坡为坚硬岩体时，可采用挑流式消能[1]。

2.3 面流消能

面流消能分为戽斗面流和跌坎面流，戽斗面流的流态对尾水位的变化比较敏感，对岸坡的稳定性要求较高，水头高流量大的建筑物利用此种消能方式的工程不多；跌坎面流是利用设置在溢流坝末端的跌坎，把水流导至下游水流表面，在跌坎附近形成旋滚达到消能效果，适用于水头较低的中、小型工程。跌坎面流消能的优点：主流在表面，底部流速小，不易冲刷河床，有利于漂木、漂冰和宣泄其他漂浮物。缺点：水流衔接形式复杂多变，不易控制，下游水面波动很大，两岸易遭冲刷。当水闸闸下游尾水深度较深、且变化较小，河床及岸坡抗冲能力较强时，可采用跌坎面流式消能[1]。

3 进水闸消能的选定

消能方式的选择是十分复杂的问题，需结合工程实际特点，兼顾水力、地形、地质及应用条件进行综合分析选定。

3.1 地质条件

经勘察堤身以下主要地层为第四系全新统湖积地层(Q4pl)、冲积地层(Q4al)以及上更新统冲积地层(Q3pl)，岩性为泥炭质低液限黏土、低液限黏土、级配不良细砂、级配不良粗砂以及级配不良砾等。进水闸消力池基础坐落于③级配不良细砂土层之上，为砂性基础，抗冲刷能力差。

3.2 水力条件

进水闸上游20a一遇洪水位为146.94m，下游最高水位为143.97m，下游沟底高程为141.72m，进水闸上、下游水位落差较小，下游水深为2.25m，下泄高能急流易产生淹没式水跃，消能效果较好。

3.3 应用条件

北方平原地区水工建筑物多采用底流消能，结构简单、施工方便、便于维修。进水闸设计流量为10m3/s,流量及上下游水头差小便于采用常规消能方式。

综合以上条件分析，大民湿地与嫩江连通工程进水闸消能方式采用底流消能。

4 进水闸底流消能计算

进水闸根据选定的底流式消能方式进行消能计算，消力池为钢筋混凝土U型槽结构，过水断面为渐扩式矩形断面。

4.1 消力池深度按下述公式计算：

d=σ0h″c-hs'-ΔZ

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：d为消力池深度，m；σ0为水跃淹没系数，采用1.05；g为重力加速度，采用9.81，m/s2；hc"为跃后水深，m；hc为收缩水深，m；α为水流动能校正系数；可采用1.0；q为过闸单宽流量，m2/s；b1为消力池首端宽度，m；b2为消力池末端宽度，m；T0为由消力池底板顶面算起的总势能，m；△Z为出池落差，m；hs'为出池河床水深，m；φ为孔流流速系数，采用0.95。