底流式消能设计浅析及工程应用

2017-03-08李育华

黑龙江水利科技 2017年12期

李育华，袁静

(江宁区水务局，南京 211112)

0 引言

水闸下游的消能防冲设计，与水闸结构自身、闸下河道堤防的稳定性有很大的关系[1]。据不完全统计，在我国水闸的安全普查中，水闸出水部位的消能工设计中约有42%在水闸运行过程中，存在严重冲坏问题[2]。通过以往水闸运行过程及消能措施破坏程度研究分析，消能措施的消能效果，不仅与水闸下泄设计洪水工况有关，还与施工条件及水闸运行过程密不可分[3]。

姜林闸地处赵村水库溢洪河末端，从地形上来说，正处在山丘区向圩区过度的山圩混合区，地形在闸址处有一突降，落差约为3m。从水闸本身来说，这样的位置利于降低挖深、节省造价，也造成水闸需解决一定落差带来的消能问题。文章基于姜林闸水闸存在的消能问题，针对消能工设计条件、消力池、海漫等设计进行探讨，以期提出适合本工程的消能方式。

1 水闸消能工设计注意事项

1)鉴于下游潮位及上游洪水流量是随时间季节不断变化，相关过闸水流的流量、下游水位、下泄流速均为变量，设计者在设计水闸时需考虑此变化，进行关键过程分析；

2)当闸下水位较低时，需对下游水位绘制变化曲线，进行水位跟踪分析；在多级消力池设计中，需综合考虑闸门的启闭顺序、开度等因素；

3)水闸设计流量较大，流速较急时，需综合设计一些辅助消能工，促使水跃的发生。

2 水闸消能工设计

2.1 消力池挖深设计

常见底流式消力池的挖深设计方法有综合式计算方法及动量方程方法。综合式消力池护坦末端消能坎高度及挖深的计算简图如图1所示。计算流程如下：

1)首先假设消力池会形成二次水跃，可得相应跃后水深为h(下游水深) 。进而反推计算出跃前水深；

2)通过跃前及跃后水深值，可求得消力坎后的跃前总水头E，进而推算出消力坎顶处总水头，可计算得出坎高C；

3)再通过迭代计算动量方程，求解得到消力池深值。

采用动量方程求解时，公式中采用的是静水压，未考虑水流在跃过护坦末端消能坎时，水流剧烈的紊动会产生动水压力，此压力远大于计算采用的静水压，因此，该方法计算所得池深比采用堰流计算公式的计算结果要偏小一些。

图1 底流式消力池挖深设计综合式计算简图

2.2 海漫设计

海漫的设计中，最主要的就是材料的选取，常用材料有块石或混凝土。同时要求，海漫结构表面具有一定程度的抗冲性、粗糙度、柔韧性及透水性。

1)海漫的结构型式：

海漫的结构型式应具有消耗水流的余能的作用，并保证结构自身安全稳定，可以达到对河床的保护目的；同时在一定程度上，结构整体应具有适应河床变形的柔韧性。总结常见海漫结构型式如表1所示。

表1 常见海漫特性比较表

2)海漫布置型式：

为保证下泄水流通畅，海漫的顺水流坡度不应陡于1 ∶10。干砌石海漫还需注意，当用于大、中型水闸中，还需用混凝土或浆砌石格埂，以框格型式分块布置，格埂的间距可为10-15 m，横断面尺寸常用40 cm ×60 cm。

3)海漫长度计算：

通过海漫长度的计算公式，可知消能后剩余能量的大小以及河床土质的抗冲能力是计算的关键因素。海漫长度计算公式为：

Lp=kqΔH(原南京水科所提出经验公式)

(1)

该公式适用于消能扩散良好情况下，即q ΔH = 1-9。

式中：ΔH为闸孔泄水时的上下游水位差，m；q为消力池末端的单宽流量，m3/( s·m) ；k为海漫长度计算系数，取值范围详见表2。

表2 海漫长度计算系数取值范围表

计算过程中，应采用各种水位流量组合的试算方法，取计算结果中的最大值。同时还应参考海漫末端保护措施、允许局部冲刷坑深度、地层变化等因素，最终综合考虑确定海漫的长度。

3 工程应用

3.1 工程概况

姜林闸位于赵村水库溢洪河下游，地处南京市江宁区横溪街道姜林村，系中型水库赵村水库溢洪河补水线配套工程。主要功能：①抗旱：旱季关闸蓄水，将上游河道水位维持在高程▽11.70m，以解决横溪镇许呈村、横山村的人畜生活用水及大部分丘陵山区的农业生产缺水的问题；②蓄水：平时通过闸门的合理开度，将上游河道水位维持在高程▽9.00m；③泄洪：汛期开闸宣泄洪水，排泄上游赵村水库下泄流量、以及赵村水库溢洪河沿岸山丘区与圩区的来水，缩短防洪路线，减少或免除洪灾损失。

工程建于1987年10月，1988年6月竣工并投入使用。