水工建筑物的消能设计问题分析

水工建筑物的消能设计问题分析

高婷

深圳市广汇源环境水务有限公司 广东.深圳518000

摘要：水工建筑物消能设计在水利工程建设中尤为重要，确定着水工建筑是否安全稳定，甚至全部水利水电工程能否安全运行。本文以一渠道引水工程为例子，对于水工建筑消能设计问题进行了进一步的探究。

关键词：渠道；水工建筑物；消能沿空掘；设计方案

引言：闸门是挡水，排水建筑物的一类，在水利建设中已得到了广泛运用。由于闸门下泄流水机械能大，对中下游渠床有非常大冲洗毁坏，因而规定闸门中下游消能防冲应变成设计方案时的核心。底流水跃消能防冲对策是闸门中下游消能方法之一，在长期使用和实践过程中已展现出实际效果。已知底流水跃消能和防冲对策多选用水跃做到“消能”效果。进行消能防冲设计方案，以保证中下游产生相应淹没水平水跃为主导。

1项目可行性

某引水工程的主体，属大中型水利工程，属Ⅱ级房屋建筑。可是，因为灌溉工程经七一大渠可由叶尔羌河引水渠并操纵一部分供水量，而渠道也是低水口引水渠核心区且在事故时不易造成很大危害与损失，可将工程规模下降1级，依照Ⅲ级工程建筑开展设计，设计方案水灾标准取为50a一遇，检算水灾标准取为500a一遇。该地区抗震设防烈度7级。它地基承载能力超过30t/m2。河道砂砾石的密度为2.12吨/立方、比例为2.17吨/立方。河道砂砾石的内摩擦角，水上为38度，水中为30度排水闸灌溉工程内第1泄水闸距约4000米，引水渠口标高1475.5米。

2消能工况的制定工况

不同形式闸门开展消能设计方案时需要标准不尽相同。这就规定消能设计中需要综合分析上，中下游水位线，过闸总流量和水利闸门开闭组合程序流程，并对其对应条件做出精确分析，以确保采用的消能设计符合工程实际要求。它的设计过程又不能只依据表面的状况来确定，要考虑到各方面的条件。

在进行水闸设计时，往往会出现消能设计的条件非常苛刻的情况。许多设计者通过对闸下消力池进行水力计算，发现消力池的测算水位异常，并不是水位太大便是难以做到理想消能率。发生以上现象的原因是：（1）中下游潮位过低，无法联系实际状况对中下游河面曲线开展科学研究与分析；（2）中下游水灾总流量与中下游潮位发生变化时可能造成相应影响，进而使过闸流水水位线，总流量与流动速度产生相对应更改，设计人员在计算中很难针对不同情况展开分析，仅将研究工作集中在上下游水位上；（3）未按实际要求布置一些辅助消能建筑物（如消力墩），从而加速水跃发生。

3 消力齿，消力栅与底流的消能组合

节制闸即改传统式敞开闸为封闭式闸或取消普通密闭式闸洞边两侧单设敞开式消力池部分，对洞边略加改造，使之变成兼顾输水，消能和闸身作用的溢洪道，但在洞边溢洪道内加设消力齿和消力栅相互配合底流消能组成多层面消能。尽管消能容积很小，但经过多层反复消能后，它的效率更高。

4消能设计控制

4.1消能设计的不利条件

因水闸形式不一，需考虑消能设计条件各异。这要求消能设计中必须考虑上，下游水位，该闸的流量和闸门的启闭。由于消能设计较为复杂，在设计过程中常会出现设计条件苛刻的情况。在实践中，许多设计人员通过对闸下消力池进行水力计算时，发现其计算水深表现不正常，或水深过大，或达不到预期消能效果。经调研分析可归纳消力池计算所需深度错误、造成消能率偏低的原因有：

一是因上游水灾流量与中下游潮位持续变化，易造成过闸流水水位线，总流量与流动速度持续变化，设计中，若研究不细，而过度单纯地于设置一上，中下游水位线，则易造成消力池计算误差之间。

二要在中下游水位线比较高时，若仅考虑到闸门开度，启闭顺序开展溢洪道设计，无法合理地研究中下游河面曲线，亦易造成消力池消能率减少。

三是监理公司资源分配科学与否是测绘工程监理装备管理体系关注的重点，当监理公司条件具备后，可以创建工程监理业务信息管理系统（MIS），对工程监理各因素按信息化管理规定做好管控，达到项目质量，进展与生产安全及涉密数据库管理等规定，在互联网环境中与监管要求紧密结合开展多层级工程监理，可以更为便捷地对工程监理信息开展生产管理与上通下达等操作，基本实现了工程监理业务流程管理数据可视化与电子化。无法依据具体工作状况布局部分消力墩和其他协助消能布局造成水跃。

4.2消能设计控制方法

溢洪道分成挖深式，尾坎式和综合式三类。消力池深层和水池标高的设计方案应根据上中下游水位线、过闸总流量及工程项目区地质条件充分考虑。有时候计算所获得池深结论为0或是为负，理论上并不需布局消力池，而具体工程项目仍需布局0.5~1m水深溢洪道才可以合理地稳定水跃位置和调整消力池后才流动速度分布以完成充分消能。

水跃产生在水平护坦无任何尾坎的前提下，俗称自由水跃，这时需要消力池很长，但此构造无法满足各个泄总流量的要求，所以在现实工程项目中亦较少选用。消力池为挖深式等形式时，在消力池内产生的逼迫水跃较随意水跃自减少且比较稳定。

在该工程项目消能操纵设计中，因该闸位于平原区，河道抗冲洗能力不强，选用底流式的。在设计水位线或是校对水位线前提下水利闸门全开发泄水灾、为了能吞没流水、不用消能、闸前是1.8米的正常的高水位，有些水利闸门部分开启，仅有在发泄越来越少流量的前提下中下游水位线不太高闸下流速率大，才可以冲洗河道严重，需要布局相对应消能设备能够保证在无论哪一种开启度高度工况下都可以造成吞没式水跃消能实际效果。

4.3明确消力池底板的薄厚

消力池底版也称作护坦，需受快速流水撞击力，脉冲压力和扬压力顶托功效。消力池底版目的是推动流水对底版范围之内水跃和防止河道被冲洗。水工建筑消力池底版薄厚需要既可以达到抗冲又能抗浮。抗冲取决于应用于底版表层流水撞击力的尺寸，抗浮规定在于应用于闸基渗流扬压力的尺寸。这两类力在本质上是不一样的，在分析方法上也不一样。

按抗冲要求可以按冲量原理为基础进行底板厚度设计。从冲力角度考虑，消力池底板首、端部使用相同厚度常常不尽合理，一般首、端部池底厚度之比可以设计成2:1；按抗浮要求，使用等厚消力池底厚度亦是如此。因为低流消能标准下需要获得不错的消能效果应把水跃限定于溢洪道坡端，使坡端扬压力通常比别的位置尤其是跃首位置大。故通常消力陡坡段底版薄厚应稍超过厚底段底板薄厚。

从总体上看，闸门溢洪道底板薄厚设计方案可以分三步走，先按抗冲规定初步判断底版薄厚，然后再按抗浮要求复核整体底板稳定。再选取二者中较大的数值确定最终底板厚度。但在实际设计时，因干扰因素较多，因此，还要考虑到一些现实问题，如材料强度，施工质量，地基性质和防渗措施。所以在进行设计时需要选取合理的安全系数。

4.4海漫设计

水工建筑物消能设计也需考虑海漫长度问题。海漫长短主要取决于消能后水的容量和河床土质。海漫长度需结合当地刷坑深度、海漫端部防护措施、地层变化情况等诸多因素综合考虑。设计中设计者应结合河床具体情况进行处理。若河床表层土层较硬、厚度较小、下卧层构造以砂土为主时，则遇承压水时，需采取海漫必要措施以避免构造受冲击而损坏，以确保表层土完整。海漫长度正常情况下应创建在海漫顶端未被冲洗或是部分冲洗坑尝深未超过规定值基础上。该新项目海漫设计方案时因闸基土层属中粉土壤，经测算最后确认海漫长度12m。

4.5防冲槽的设计

当水流经过海漫时，过剩的能量被进一步排除，流速与河床水流正常情况相近，但是海漫端部仍然存在冲刷，甚至损坏护坦。为了使河床彻底免遭冲刷破坏，必须把海漫设计得足够漫长，这一做法是很不合算的。故可采用海漫端部布置防冲槽以确保结构安全并节约工程量。防冲槽是在海漫端部挖掘的土槽内堆置一定数量块石的槽体，槽体顶部一般与海漫端部齐平，槽体底部标高根据堆石多少，施工挖掘等情况确定。

结束语

该工程坐落于平原地域，因平原地域土质河堤抗冲能力差。根据对消力池，海漫和防冲槽开展合理设计能够进一步提高水工建筑物消能防冲特性。进而在最大限度上确保闸门中下游水工建筑物结构稳定，保证人们生命安全。

参考文献：

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