坎式消力池在水闸除险加固工程中的应用及水力计算

2023-09-16许有为何铁炎

湖南水利水电 2023年3期

许有为，何铁炎

（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南长沙 410007）

1 工程概况

甘溪桥水闸位于泸溪县洗溪镇甘溪桥村境内，设计灌溉面积为2.3 万亩、现总装机容量为1.02 万kW（原总装机容量为8 200 kW），保护下游农田12 万亩、人口26 000 人，设计过闸流量为6 960 m3/s，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电等综合效益的大型拦河水闸。

枢纽建筑物主要由泄洪闸、非溢流坝、发电厂房等组成，坝轴线全长182.2 m。本次除险加固设计洪水、消能防冲标准为50 年一遇（P=2%），校核洪水标准为200年一遇（P=0.5%）。正常蓄水位为127.20 m，设计洪水位为131.70 m，校核洪水位为134.20 m。

2 消能工现状和存在的问题

溢流闸坝为低堰闸坝型，泄洪闸共8 孔，孔口为10 m×9 m（宽×高），设钢质弧形闸门。下游原状为坎式消力池，坎高2.20 m，池长26.85 m。由于泄流冲刷，消力坎已损毁，并在消力池中部及其下游形成一个深4 m、宽50 m、长80 m 的冲刷坑。

闸坝下游岩体为白垩系泥质粉砂岩夹泥岩，抗风化能力弱，且浅部存在一定厚度的强风化岩体，抗冲流速为（4～5）m/s。

闸坝下游消力池左岸为30 m 长的电站厂房侧墙，侧墙顶高程约135 m。闸坝下游右岸岸顶为公路，高程约134 m；消力池右岸为较陡的人工砌石边坡，局部存在夹层。

3 消能工除险加固方案的拟定

甘溪桥水闸的消力池需要拆除重建，设计时进行了坎式消力池+下挖式消力池（图1）和一级下挖式消力池（图2）两种方案的比选。

图1 两级消能工剖视图（采用方案）

图2 一级消能工剖视图（比选方案）

图中 hc——收缩水深（m）；

hc″——跃后水深（m）；

hs——下游水深（m）；

T——池首总势能（m）；

Δz——出池落差（m）；

d——消力池深度（m）；

c——消力池坎高（m）；

H10——坎顶全水头（m）。

据计算，两级消能方案投资1 337.99 万，比一级消能方案投资高50.13 万。但是，水闸下游左岸为电站厂房侧墙，水闸下游右岸为浆砌石高边坡挡墙，水闸下游基础为岩基，岩基大开挖需要进行爆破，容易破坏水闸原有建筑物的稳定。两级消能方案更契合现状地形，一级采用坎式消力池，岩基开挖较少，施工对两岸原有挡墙和上游闸室稳定几乎无影响，二级下挖式消力池利用原有的冲刷坑，岩基开挖也较小。综合考虑后，最终采用造价略高、但安全性更好、施工更加便利的两级消能方案。

4 消能工水力计算方法

4.1 是否需要设置消能工的判别

水闸上游总势能T1=H0+α×V02/2 g，下游为天然河床时，对水闸开启1～n 孔的各种运行工况进行水力计算，当m-1 孔全开（m＜n）时，hc1″＞hs（下游为远驱式水跃），且m 孔全开时，hc1″＜hs（下游为淹没式水跃），则判定水闸至少需设置m 孔消力池。

4.2 一级坎式消力池水力计算参数的选定

水闸上游总势能T1=H0+α×V02/2 g，下游为天然河床，设置不同的闸门开启孔数和开启高度，算出相应的下泄流量，查下游天然河道水位-流量关系曲线得出不同下泄流量对应的下游水位。然后根据相关公式求解出不同工况所需的池长和坎高，取最大池长和最大坎高组合得出初拟的一级消力池的池长L1和坎高c1。

4.3 坎后是否需要设置第二级消力池的判别

坎式消力池后接天然河床时，仍须复核坎后的水流流态。对照图1，可将消能坎当作溢流堰，按堰流公式计算出坎顶全水头H10，坎后余能E1=c+H10+（114.5-113.5），然后依照4.1 节的判别方法，判定坎后是否需要加设第二级消力池。

4.4 第二级消力池水力计算参数的选定

在坎式消力池后，第二级消力池选择下挖式消力池，池首总势能T2=c1+H10+d1，然后根据相关公式求解出不同工况下二级消力池所需的池长和池深，取最大池长和最大池深组合得出初拟的二级消力池的池长L2和池深d1。

4.5 复核修正消力池尺寸直至计算闭合

初步拟定第二级消力池的池深d1后，一级坎式消力池后衔接的不再是天然河床，须求解出新的坎上水位-流量关系曲线，根据新的坎上水位复核并修正一级坎式消力池的坎高为c2。将c2代入二级消力池计算，此时池首总势能T3=c2+H10+d2，计算出二级消力池新的池长L3和池深d2。再次求解坎上水位-流量关系曲线，之后计算步骤同上，不断复核修正消力池的尺寸，直至两级消力池的池长、坎高、池深计算闭合，最终确定两级消力池的尺寸。

4.6 主要采用的公式

相关水力计算公式详见《水闸设计规范》（SL 265-2016）和《水力计算手册第二版》，在此不再赘述。

5 甘溪桥水闸除险加固工程的消能工水力计算

5.1 判别需要设置几孔消力池

对泄洪闸闸门1 孔全开至8 孔全开的运行工况进行水力计算（按最不利边界：水流未考虑横向扩散），计算成果见表1。从表1 可知，5 孔全开后，继续开启其余闸门，跃后水深hc″均小于下游水深hs，下游形成淹没式水跃，因此，判定本闸至少需设置5 孔消力池。考虑到水闸下泄水流的流态较为复杂，结合工程现状和运行管理经验，最终决定设置8 孔消力池。

表1 水闸泄洪下游流态计算成果表

对泄洪闸闸门1 孔单开至8 孔全开的各种运行工况进行计算（按最不利边界：水流未考虑横向扩散），坎式消力池的计算成果为：坎高最大计算值为2.70 m（4 孔闸门同时开启2 m 高度），池长最大计算值为26.59 m（5 孔闸门同时开启4 m 高度）。根据计算成果，初步拟定一级消力池尺寸：坎高2.70 m，池长27 m。

5.2 判别是否需要设置第二级消力池

设置坎式消力池后，仍须复核坎后有无设置第二级消力池的必要性。计算结果见表2。

表2 坎后流态复核结果表

据计算，闸门开启孔数不大于4 孔时，存在消力坎后的跃后水深hc″大于下游水深hs的工况，即坎后水流流态为远驱式水跃，坎后余能仍然较大，由此判定设置第二级消力池是必要的。结合工程现状和运行管理经验，最终决定设置8 孔二级消力池。

5.3 两级消力池复核计算

根据计算成果，一级消力池尺寸为：坎高2.7 m，池长27 m。为保护水闸下游两岸的建筑物，调整一级消力池尺寸为：坎高2.7 m，池长33 m。在此一级坎式消力池的基础上，对各种运行工况进行水力计算，二级下挖式消力池的计算成果为：池深计算值最大为2.13 m（2孔闸门同时开启9 m 高度），池长计算值最大为35.09 m（2 孔闸门同时开启9 m 高度）。为了优化设计，节约投资，可通过闸门调度以避开部分不利工况，达到减小二级消力池池深与池长的目的。拟定的调度方案如下：开闸泄洪时，首先将4、5 号孔同步开启，当4、5号孔闸门开度达到3 m 后，将3、6 号孔同步开启，将3、4、5、6 号孔闸门开度达到3 m 后，继续开启3、4、5、6号孔闸门至全开，再将2、7 号孔闸门同步开启至全开，最后将1、8 号孔闸门同步开启至全开。在此调度方案下，二级下挖式消力池计算成果为：池深最大计算值为1.90 m，池长最大计算值为27.04 m（2 孔闸门同时开启3 m 高度）。根据计算成果，初步拟定二级下挖式消力池的池深为1.90 m，池长为27 m。

拟定第二级消力池的池深1.90 m 后，根据坎后新的下游水位-流量关系曲线，对一级坎式消力池的坎高进行复核并修正。根据反复核算，最终确定两级消力池的尺寸为：一级坎式消力池的坎高为2.2 m，池长为33 m（为保护水闸下游两岸的原有建筑物而延长）；二级下挖式消力池的池深为1.7 m，池长为25.5 m。