某水闸枢纽工程消能结构设计

李天斌

（广东宇源水利发展有限公司，广东 梅州 514000）

1 工程概况

某水闸枢纽工程的组成为泄洪闸、水轮泵、溢流坝等建筑，该工程项目的主要功能是发电、防洪及水资源调节，建筑项目区灌溉面积约为466.67 hm2，工程受益人口为9 000 人左右。建筑项目区整体地势北部以及东部较低、西部南部较高，属于是1 级阶地冲击堆积地貌单元。水闸建筑控制流域收集雨水面积约为800 km2，河流干道长度大于20 km，水闸建筑位置坡比降平均1.80%。水闸地质河床宽度约为50～70 m，河床高程最高49.70 m 最低为27.51 m，水闸上游水深4～5 m、下游水深1～3 m，河岸沿岸多是1至2级阶地。水闸总轴线高度为75.90 m，水位的高程是42.51 m，有7 个出水孔，闸孔宽度的设计值为6 m，闸孔之间设置的闸墩厚度为1.40 m，在左侧、右侧边墩厚度则降低至1.22 m，闸室在顺水流方向设计为10 m长，所以建造为平底板样式，闸墩顶部高度为45.52 m；水轮泵站规格为4.60 m。水闸过流能力见表1。

表1 水闸过流能力表

2 消能方法

不同的水闸效能技术，特征也有所差异。挑流式消能技术是利用水闸出水口位置的挑流鼻坎，将从水闸中排出水流以抛射方法，落入到距闸门比较远的河床尾部来消能，让从水闸内部排泄出的水流，与下游稳定的水体交汇，让水体在多层位产生旋滚，进而实现水体能量降低的目的，适合用在中、低水头的泄水工程中，以实现降能并防止冲刷；底流式消能指的是通过消力池等工程的修建，对水体能量造成的损害进行控制，运用水跃所引发的表面旋滚与强紊动，使水流的能量降低，从而防止在水跃的范围之内受冲刷的影响，该种方式普遍用于地势较为平缓的区域。

按照《水闸设计规范》进行数据计算与分析，如表2 所示。从表2 数据中可以发现，此工程拟采用底流消能，及时降低泄水期间对河床产生的冲刷影响。

表2 水闸下游水位与流量关系表

3 方案设计

3.1 消力池

以将水流动能减弱，继而确保在水跃覆盖范围内的河床，避免水流冲刷，规避水流侵蚀。如果过闸水流具有较大流量，则会于下游位置产生淹没水跃；又因为水闸下游位置具有一定深度，在过闸水流流量较小时，不符合淹没需求，水流会于下游位置产生远驱水跃，河床的水流冲刷比较严重，所以，通过消力池的作用，以对排泄出的流体实施消能。

对水闸外工程设计则需要考虑水流消能问题，并结合《水闸设计规范》的要求，对跃后水深以及下游水深的关系进行检验与判别。

3.2 海漫

因为出消力池之后，水流依然存在着较大的能量，还是会对下游河床产生负面影响。所以，一般会于消力池下游位置，建设海漫建筑，从而将水流残留剩余能量全部消除。同时，对于水流流速做相应调整，并对水流流速与河道本身水流稳定性之间的关系进行分析，对河床保护会产生直接的影响，降低冲刷对护坡所产生的影响。在海鳗计算与分析中，针对海漫长度、末端位置的冲刷深度等进行计算与分析。

3.2.1 海漫长度Lp

海漫长度可以按照公式（1）计算，

式中：qs—为消力池末端位置的单宽流量［m3/（s·m）］；△H—为上游、下游产生的高度差（m）；Ks—为海漫长度计算系数，以河床土质结构选择合适数值。对于粉砂质，根据其河床土质结构值，选择最大计算系数，即14，如果是坚硬黏土河床，则选择最小的7为计算系数。

经过计算后，本设计的下游护坦和海漫总长度设为45 m。

3.2.2 末端冲刷深度dm

对于末端河床的冲刷深度，现使用公式（2）计算，

总结过去建设的水闸工程经验，对于下游位置的防冲槽深度，多选择1.50～2.50 m，而防冲槽中抛石量，选择下游河床冲刷到最深位置时，块石最容易发生垮塌的临界情况，以此时的抛石量为准。所以，此设计dm选择2.20 m。

4 数据复核

利用消力池的底流提高消能处理效果，在水闸的挡水工程正常运行时，上游水位为42.62 m，而下游水位则为38 m，在启动第一孔闸门时，启动闸下消能系统。以水力调洪的计算结果，而在提高闸门开孔数量后，下游水深会逐渐提高，让上游、下游之间的水位差发生相应减小，而在预设和校核洪水的运行模式下，水闸上游、下游的水位差在0.29 m、0.28 m 情况时，下游水深为44.29 m、43.86 m，可是水闸在此时拥有较大的泄流量。所以，对于预设和校核洪水的运行情况，不能作为有效控制闸下消能情况使用。

此设计中的水闸，在闸上水位为42.65 m，而闸下的原本水位为38 m，以这种水位组合模式设计开闸泄水系统。在对泄洪孔的数量进行分析后，则需要对水流在消力池中的扩散影响因素进行分析，消能计算结果可以参照表3。

表3 泄洪闸消力池消能防冲计算结果表

计算的结果显示：在各种运行情况下，消能防冲设施规格与闸门开启模式具有密切关系。在实际应用中，要先开启—孔第一级，之后再将其余的—孔第一级开启，从而实现更充分消能的目的。

5 结语

消力池是水闸消能防冲设计中应用较多的一种建筑，这种设计方法及其结构都相对比较成熟和完善。由于过闸水流受上下游落差作用，大部分势能会转化为动能，所以，从水力学理论入手，分析过闸水流具有的动力学特性，并使用最符合实际情况的消能模式，优化设计方案。并计算消能设施各处规格，保障后续作业的稳定性，进而达到消能的效果。