崔攀

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

汾河流域中游核心区液压坝消能防冲计算分析

崔攀

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

以汾河流域生态修复中游核心区液压坝消能防冲为例，计算并分析了不同坝高的泄流流量、消力池池深与池长、消力池底板厚度及海漫长度。结果表明：液压坝受淹没系数的影响，泄流流量随坝降落呈先增大后减小分布；消力池消能率与收缩断面处的弗洛德数正相关，呈对数分布；钢筋混凝土材料制作的消力池底板抗冲厚度略大于抗浮厚度要求；海漫长度随液压坝坝高的增高而增长。

生态修复；液压坝；消能防冲；汾河流域

1 工程概况

汾河是山西省第一大河，黄河第二大支流，按河流特征分为上、中、下游三段。太原兰村以上为上游地区；兰村至洪洞石滩为中游地区，洪洞石滩至黄河口为下游地区。其中，中游段河道宽150～300m，河长266.9km，流域面积20509km2，属平原性河流；中游地势平坦、土质疏松，河谷冲积层深厚，河型蜿蜒曲折。

本次“核心区”建设位于汾河太原以下段汾河二坝—三坝之间。主要任务是通过在河道内设置蓄水闸坝，抬高河道水位，拦蓄洪水，为堤外蓄水湿地提供水源，同时河道内形成蓄水水面，增补地下水，改善周边生态环境。治理理念为恢复河道水域，蓄滞洪水，充分利用雨水资源，改善生态环境；增强地下水补给，抬升地下水位；增大河道水域面积，减缓洪水流速，提高防洪能力；同时，通过增大水域面积，增强河道水质的自然修复能力，改善水质。

此次治理段的防洪标准为20年一遇洪水。结合汾河中下游河道疏浚整治工程的总体布局、建设任务及堤外蓄水湿地的布置，在核心区共布设15座液压坝，每个蓄水湿地蓄水量64万～123万m3，蓄水面积为16.17km2，总蓄水量1737万m3。根据蓄水量及规模，确定液压坝等别为Ⅳ等4级。

2 工况计算

汾河生态修复中游核心区干流蓄水工程共有15座液压坝，每座液压坝均包括主坝及左右两侧副坝。其中，主坝位于河道主槽内，副坝位于主坝两侧的滩地上。副坝坝高均为2m，主坝有3.0m，3.5m，4.0m，4.5m，5.0m等5种坝高形式。根据1～15号液压坝平面布置形式及运行情况，液压坝的泄流情况分两种类型：一种是主坝及两侧副坝的泄流洪水分别流入各自下游消能防冲建筑物之内，经各自海漫段后排入下游。另一种是两侧副坝下泄洪水全部汇入主坝，与主坝洪水汇合后，流入主坝消力池内，经主坝海漫段后排泄到下游。

考虑到液压坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，每座液压坝的主坝及副坝均应计算立坝溢流和塌坝泄流运行情况的消能、防冲。在立坝溢流情况下，堰上水头看0.1m，0.2m，0.3m，0.4m，0.5m五种工况；在塌坝泄流情况下，不考虑行洪对堰前水位的影响，考虑堰上水头为0.5m，闸门每降低0.5m为一个工况，直至闸门塌平。

因此，在上述各运行情况下，计算并分析各液压坝主坝及副坝的泄流流量，下游水深，消力池池深与池长、消力池抗冲厚度及抗浮厚度、海漫长度，得出不同液压坝坝高消能防冲特性，为类似工程的设计提供参考依据。

3 计算结果

3.1 过流能力计算

液压坝的过流能力采用堰流公式计算：

式中：σ——淹没系数；

ε——侧收缩系数；

m——流量系数；

b——闸孔净宽，m；

H0——包括行近流速的堰前水头，m。

经计算可知，在立坝溢流情况下，随着堰上水头的增加，流量也逐渐增大；考虑到液压坝运行安全，堰上最大水头为0.5m，则在立坝溢流时，该工况所对应的流量值最大，为75.03m3/s。在塌坝行洪情况下，闸门初始降落时，泄流量随闸门降低而逐渐增大；当闸门快塌平时，下游水流形成淹没流，淹没系数变小，最流量影响较大，泄流量略有减小。

3.2 消力池池深及池长计算

依据《水闸设计规范》消力池计算公式，计算各工况，得出如下结果，坝高不同，消力池池深及池长差别较大：滩地坝高2.0m，消力池池深0.13m，池长6.95m；主槽坝高分别为3.0m，3.5m，4.0m，4.5m，5.0m五种类型，计算所得主槽消力池池深为0.23～0.43m，池长为11.18～13.87m。随着液压坝坝高增大，消力池池长也在增大，消力池长度主要由上下游水头差而决定。消力池池深最大值所对应的单宽流量比较大，消力池池深主要由单宽流量决定。立坝溢流的消能率基本上大于塌坝行洪时的消能率见表1；消能率η与收缩断面处的弗洛德数Fr呈对数关系分布见图1。

表1 2m高液压坝消能率计算成果

图1 消能率η与弗洛德数Fr相关性

计算公式如下：

式中：η——消力池消能率；E1——消力池收缩断面处能量，m；E2——消力池末端水流断面能量，m。

3.3 消力池底板厚度计算

消力池底板厚度应根据抗冲和抗浮要求分别计算确定，并取计算结果最大值。依据《水闸设计规范》消力池底板计算公式，计算各工况底板的抗冲与抗浮厚度，计算可知：因消力池采用钢筋混凝土材料制作而成，消力池的抗冲计算厚度略大于抗浮计算厚度要求。消力池底板计算厚度随坝高的增大而增大，滩地消力池底板厚度为0.34m，主槽消力池底板厚度为0.40～0.50m。

3.4 海漫长度计算

水流经过消力池消能后仍存有部分剩余能量，需要利用海漫消除，并且不同河床土质的抗冲能力差别较大。因此，海漫的长度由剩余能量的大小及河床的抗冲能力决定。依据《水闸设计规范》海漫计算公式，计算得到滩地液压坝的海漫长度为9.06m，主槽液压坝的海漫长度为20m左右，计算长度随液压坝坝高增大而增大。

4 结论

第一，在立坝溢流情况下，液压坝的过流能力随堰上水头的增高而增大；塌坝泄流情况下，液压坝的过流能力受到淹没系数的影响，泄流流量随液压坝降落呈先增大后减小趋势。

第二，消力池池长主要由上下游水头差而决定，池深主要由单宽流量而决定；消力池消能率与收缩断面处的弗洛德数正相关，呈对数分布。

第三，钢筋混凝土材料制作的消力池，其底板抗冲厚度略大于抗浮厚度要求。

第四，海漫长度取决于消力池末端剩余能量大小及河床抗冲能力，并随坝高的增高而增长。

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崔攀（1989-），男，2011年毕业于太原理工大学水利水电工程专业，助理工程师。

2016-08-17；

2016-09-23