李岩

（辽宁省阜新水文局，辽宁阜新123000）

云河取水枢纽冲沙闸设计

李岩

（辽宁省阜新水文局，辽宁阜新123000）

云河取水枢纽位于云河上，其设计既要保证年来水量能够满足云河灌区农田灌溉及已建电站的发电要求，又要满足水路和陆路方面的效益规划要求，因此需要在进水闸旁修建一冲沙闸，以起到冲沙和泄洪的作用。文中以实际调查的水量、地质资料和水文条件状况为基础，立足于安全、经济可行性，对冲沙闸的水力设计及消能防冲设计进行了论述。

云河取水枢纽；冲沙闸；消力池；设计

云河取水枢纽设计要保证年来水量能够满足云河灌区3 000 hm2农田灌溉及枢纽下游的已建电站的发电要求，同时还要满足水路和陆路方面的效益规划要求。为了配合云河取水枢纽工程进行正常取水、灌溉，在进水闸旁修建一冲沙闸，可以起到冲沙和泄洪作用。冲沙闸根椐水工建筑物设计要求和设计原理进行设计，以实际调查的水量、地质资料和水文条件状况为基础，立足于安全、经济可行性进行设计。

1 基本设计资料

云河取水枢纽位于云河上。枢纽以上控制流域面积7 531 km2，水源丰富。河道常年水位在35.5～36.5 m之间。灌区进水闸以5%的洪水作为停止引水标准，进水闸引水时（相应灌溉频率P= 75%时）相应的河道流量Q=600 m3/s，此流量尚供下游发电之用。

枢纽附近地质情况：由地质剖面图知在枢纽轴线位置的320 m河槽范围以内，由东向西约有230 m长的覆盖层为砂卵石层，最厚达11 m，最薄5 m，平均约8 m；下面为砂壤土，最大深度约40 m，最小为5 m，平均厚约20 m；再往下为粉砂泥质岩，紧接的90 m范围河槽部分，最深覆盖层约5 m，最浅1 m，平均约3 m左右；下面是玄武岩，风化层2～3 m。

沿河一带由于河道常年有水，故地下水位相对较稳定，一般在35.5 m左右。

灌溉渠道设计成果：渠道渠底高程36.00 m；最大引水流量Q=50 m3/s；灌溉期正常挡水位38.00 m，相应下游水位37.82 m；渠道纵坡i=1/7 000；渠道边坡m=2；渠道底宽B=14 m；渠道顶部高程39.50 m；渠道顶部宽6 m；渠道水位44.00 m。

2 冲沙闸的水力设计

2.1 闸孔尺寸

冲沙闸一般位于坝端并与进水闸相连，其轴线与河流流向垂直，以利冲沙。冲沙闸一般采用开敞式，闸孔尺寸的设计主要是确定闸前设计水位、设计流量及底板高程。

2.1.1 闸前设计水位及设计流量

为了使河道主槽靠近进水闸，冲沙闸下泄其设计流量时，溢流坝坝顶不溢流，即闸前设计水位与坝顶齐平。为37.07 m。

由于冲沙闸设计流量的确定涉及因素较多，至今尚无统一的标准。根据工程实践经验，冲沙闸的设计流量采用50%～80%频率的洪水流量。依据这一原则，取75%频率的洪水流量为设计流量，查资料得Q=1 090 m3/s。

2.1.2 底板高程的确定

冲沙闸底板高程应根据枢纽附近河道比降和冲淤变化来确定，一般要求冲沙闸底板高程低于进水闸底板高程1.0～1.5 m。根据已知资料，进水闸底板高程为35.1 m，则可取冲沙闸底板高程为35.1－1.1=34 m。

2.2 冲沙流速验算

枢纽在运用过程中，当河道来水量大于冲沙流量时，取水和冲沙一般都不成问题；当河道来水量小于进水闸设计流量时，冲沙闸一般都是关闭的，以便壅水沉沙及取水，待槽内泥沙接近淤满时，即停止取水冲沙。这时壅水位急剧下降，冲沙较为强烈，随着冲沙时间的增长，冲刷逐渐向上延伸，最后把沉沙全部冲走，水深恢复正常。

在冲沙时，槽内各断面流速应大于泥沙起动流速，即v＞1.3vc，其中v为冲沙流速（m2/s）、vc为泥沙的起动流速（m2/s）。对于云河含泥沙量较大，且颗粒等级划分比较细，故必须考虑颗粒之间的粘结力。

采用下面公式：

式中：H为水深，m；d为粒径，取d=0.027 5 mm；r为水容重，取r=9.8 kg/m3；rs为泥沙容重，取rs= 26.5 kg/m3。

得vc=7.47 m2/s。

当沉沙槽底板小于临界坡降或水平时，水流在闸孔处常出现临界水深hk和相应的临界流速vk。当vk＞1.3vc时，就可满足冲沙要求。

式中：q为过水流量，m3/s；g为重力加速度。

2.3 淤积流速验算

当冲沙闸关闭，进水闸取水时，泥沙槽内流速应小于平均临界淤积流速v0，计算时采用拉塞公式：

式中：f为泥沙系数，查表得f=1.0；R为水力半径，m。

根据公式R=A/X计算R：

式中：A为过流断面面积，m2；X为湿周，m。槽内平均流速满足淤积要求。

3 消能防冲设计

3.1 消力池

3.1.1 消力池长度计算

消力池长L由射流水舌长L1及水跃长Lk两部分组成，自由水跃长度Lj可按Lj=6.9（hc″-hc′）计算。一般消力池的长度Lk按Lk=（0.7～0.8）Lj估算，消力池总长度L=L1+Lk。其中，hc′为跃前水深，m；hc″为跃后水深，m。

Lj=6.9（hc″-hc′）=6.9×（2.214-0.308）=13.2 m，

L=0.75L=0.75×13.2=9.9 m，L=2 m，则L= L1+Lk=9.9+2.0=11.9 m。

即取消力池总长度为12 m。

3.1.2 确定消力池底板厚度t

计算护坦厚度t的经验公式：

式中：q为闸孔处的单宽流量，m3/s；△H为泄水时的上下游水位差，m；K1为经验系数，可采用0.175～0.200，取K1=0.2；t为靠近闸室一端的护坦厚度，m。

护坦底板一般采用混凝土或加筋混凝土，小型水闸有的采用浆砌石。底板上设有排水孔，孔径选20 cm，间距2 m，呈梅花型排列。护坦在平行水流方向设沉降缝，缝的位置宜与闸墩对齐。护坦底部设反滤层：碎石20 cm，中砂10 cm，细砂10 cm。

3.2 海 漫

经过护坦段消能的水流仍具有一定的剩余能量，单宽流量偏大，流速分布不均匀，脉动仍较剧烈，为此，护坦后还有设置海漫和防冲槽，以逐步调整流量和流速分布，使之达到接近天然河道的水流状态。

3.2.1 确定海漫长度

式中：q′为海漫起端的单宽流量，m3/s；△H为泄流时的上下游水位差，m；Ks为经验系数，粉沙及细粉沙河床可采用13～15，中砂、粗砂及砂壤土可用10～12，这里取Ks=14。

3.2.2 海漫的布置及构造

为了使水流更好地扩散，海漫在平面上采取向两侧逐渐扩散的布置方式；在立面上，海漫始端做成水平段，后部接以倾斜段，坡度不应陡于1∶10。海漫所用的材料，前段约1/4左右海漫长度的范围内，通常采用浆砌石块，余下的后段常采用干砌石结构。块石直径大于30 cm，其实厚度为40 cm。海漫段设计排水孔，下设反滤层。

3.3 防冲槽

式中：t″为海漫末端的可能冲刷深度，m；q′为海漫末端的单宽流量，m3/s；v0为河床土质的不冲速，查表得0.70 m/s；t为海漫末端的水深，m。

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