廣西欽州市青年水閘消能防沖建筑物設(shè)計(jì)初步研究

1、    廣西欽州市青年水閘消能防沖建筑物設(shè)計(jì)初步研究    摘 要： 通過對廣西欽州市青年水閘除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行消能防沖計(jì)算，對工程消能防沖建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞： 廣西欽州市青年水閘；消力池；閘門開啟調(diào)度；壩址下游hq1 工程概況欽州市青年水閘工程位于廣西沿海欽江流域的下游的欽州市城郊，閘址距離欽州市城區(qū)中心約5km，工程于1959年動工興建，1960年基本建成，是一座以灌溉和城市供水為主，兼有發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用的水利工程。水閘集水面積2140km2，正常蓄水位8.5m，總庫容為6150萬m3，設(shè)計(jì)引水流量11.3m3/s，洪水期設(shè)計(jì)最大過閘流量361

2、0m3/s，屬中型水庫，大二型水閘。閘上游左右岸設(shè)有引水灌溉和城市供水引水口，設(shè)計(jì)灌溉面積12.17萬畝，近期設(shè)計(jì)供水規(guī)模為22萬t/d；現(xiàn)狀供水人口30萬人，是欽州市生活和工業(yè)用水的主要水源點(diǎn)。2008年11月，經(jīng)水閘安全鑒定，評定青年水閘安全類別為四類。主要結(jié)論有：閘泄洪能力、閘頂高程不足，防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；水閘抗滑穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定不滿足要求；消能防沖能力不滿足要求；凝土表面碳化刷嚴(yán)重，強(qiáng)度降低；閘門、啟閉機(jī)銹蝕嚴(yán)重，閘門漏水，電氣設(shè)備老化；無觀測設(shè)施等。青年水閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)維持現(xiàn)有工程任務(wù)，主要處理措施為拆除原閘壩重建。從舊閘運(yùn)行情況看，舊閘消力池及海漫底板結(jié)構(gòu)松散、護(hù)面單薄，運(yùn)

3、行以來多次發(fā)生沖刷破壞及冒砂現(xiàn)象，雖已多次進(jìn)行修補(bǔ)加固，但仍未能解除險(xiǎn)情，嚴(yán)重影響到閘壩安全，因此，除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，消能防沖設(shè)計(jì)顯得尤為重要。青年水閘庫區(qū)屬丘陵區(qū)，水閘以下為平原區(qū)，根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，閘下游消能防沖（消力池）設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇考慮。其建筑物級別按2級考慮。2青年水閘閘門調(diào)度規(guī)則及壩址下游hq青年水閘為低水頭運(yùn)行閘壩，且汛期洪水入庫時(shí)閘門全開不蓄水，青年水閘建成至今遠(yuǎn)未淤積至堰頂高程6.0m。由于青年水閘天然來水量較大，能滿足灌溉和城市供水要求，無需水閘調(diào)節(jié)庫容。加固后水閘設(shè)有12孔直升式平板鋼閘門，采用固定啟閉機(jī)啟閉。新水閘的調(diào)度原則與現(xiàn)狀基本保持一致，根據(jù)來水情況，

4、仍按閘上水位為正常水位8.5m控制下泄，并考慮水閘敞泄洪水。提升閘門時(shí)要遵循先中間后兩側(cè)的原則，先打開中間5#和6#閘門，然后打開4#和7#閘門，依此順序直至閘門全部打開；下降時(shí)，閘門關(guān)閉順序與提升順序相反，先兩側(cè)后中間，嚴(yán)禁閘門由一側(cè)向另一側(cè)逐孔啟閉。（1）青年水閘閘下受潮水影響后hq綜合關(guān)系曲線青年水閘閘下受潮水影響后hq綜合關(guān)系曲線見表1。表1 青年水閘閘下受潮水影響后hq綜合關(guān)系曲線關(guān)系成果表3消能方式選擇青年水閘最大過閘流量為3610m3/s，為ii等工程，大（2）型水閘，水閘下游消能防沖（消力池）設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇考慮，下泄流量為2900 m3/s。初步選定采用底流消能型式。

5、4消能防沖計(jì)算（1）閘門開啟調(diào)度優(yōu)化本次設(shè)計(jì)在滿足樞紐總的運(yùn)行調(diào)度要求的前提下考慮了平板閘門自身特性、廠用配電容量等因素后初擬按下述方式開啟閘門：水庫需下泄特定流量洪水時(shí)，閘門按左9孔同步開啟，待開度達(dá)到2m時(shí)停止開啟這9孔，再開啟右3孔達(dá)到開度2m，如此反復(fù)直到閘門開啟至達(dá)到相應(yīng)泄流能力要求的孔口開度。在達(dá)到消能防沖建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇的下泄流量2900m3/s，此時(shí)12孔全開敞泄。最大單寬流量約26.85 m3/s。另外，考慮可能會出現(xiàn)的單孔開啟下泄極小流量的情況，此時(shí)單孔開度不能大于0.5m，相應(yīng)下泄流量為70 m3/s。綜合以上考慮，本階段試算了當(dāng)上游水位為8.5m時(shí)控制泄流量，

6、閘門在左9孔分別分步開啟0.5m、1m、1.5m、2m；右孔分步開啟1m、2m；1孔開啟0.5m；左右岸12孔閘門全開等共9個(gè)閘門開啟工況。（2）消力池池深池長的計(jì)算 消力池消能坎高度根據(jù)水力計(jì)算手冊（中國水力水電出版社2006第二版）中公式，消力池消能坎高按下述公式進(jìn)行計(jì)算。式中：c消力坎高度（m）；安全系數(shù)，一般取1.051.1，本工程采用1.05；s坎的淹沒系數(shù)，查表；hc躍后水深（m）；hc收縮水深（m）；q過閘單寬流量（m2/s）；b消力池寬度，（m）；堰的流速系數(shù)，本工程取0.90；hs 出池河床水深（m）。 消力池長度：lsj=ls+ljlj=6.9 （hc+ hc）式中：lsj

7、消力池長度（m）；ls消力池斜坡段水平投影長度； 水躍長度校正系數(shù)，一般取0.70.8，本工程采用0.75；lj水躍長度（m）。 消力池底板厚度按規(guī)范中的公式進(jìn)行抗沖、抗浮計(jì)算：（抗沖）（抗?。┯捎谙Τ氐装逶O(shè)有排水孔，消力池底板滲透壓力為0，故只驗(yàn)算始端厚度。t消力池底板抗沖始端厚度（m）；t1消力池底板抗浮始端厚度（m）；h閘孔孔泄水時(shí)的上、下游水位差（m）；k1消力池底板計(jì)算系數(shù)，一般取0.150.2，本工程采用0.18；k2消力池底板安全系數(shù)，一般取1.11.3，本工程采用1.2；u作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力（kpa）；w作用在消力池底板頂面的水重（kpa）；pm作用在消力池底板上的

8、脈動系數(shù)（kpa），其值可取躍前收縮斷面流速水頭值的5%。 海漫長度計(jì)算消力池后接海漫，根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范，海漫長度計(jì)算公式如下：式中：lp海漫長度（m）；qs消力池末端單寬流量（m2/s）；ks海漫長度計(jì)算系數(shù)，對中粗砂取1211，本工程取11；h泄水時(shí)上下游水位差h。 河床沖刷深度計(jì)算海漫末端的沖刷深度，根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范，按以下公式計(jì)算：式中 dm海漫末端河床沖刷深度（m）；qm海漫末端單寬流量（m2/s）；v0河床土質(zhì)允許不沖流速（m/s）；hm海漫末端河床水深（m）。 計(jì)算結(jié)果表2 消能防沖計(jì)算成果表在各級泄洪流量下，所需的消力池池深、池長、底板厚度、及海漫長度計(jì)算成果見表2。計(jì)算結(jié)果分

9、析：經(jīng)試算，底流消能狀態(tài)與淹沒出流狀態(tài)之間的分界（臨界）流量約為1000m3/s。從計(jì)算成果表中看出，消力池深度由較小流量控制，當(dāng)水閘泄流量為192 m3/s時(shí)，計(jì)算得消力池最大深度為0.97m，底板最大抗沖厚度為1.07m；而消力池長度則由最大設(shè)計(jì)（p=2%）流量控制，當(dāng)水閘泄流量為2900m3/s時(shí)，計(jì)算得消力池長為40.3m，底板最大抗浮厚度為1.1m；計(jì)算得海漫長為33.58m，海漫末端沖刷深度為1.98m。5 消能防沖建筑物布置及結(jié)論（1）消力池樞紐消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇，在閘門按照本次設(shè)計(jì)擬定的調(diào)度開啟原則的情況下，結(jié)合工程布置以及地形地質(zhì)情況，消力池以保留的混凝土縱

10、堰為界劃分為左右兩部分。縱堰左側(cè)消力池寬度為99.8m，消力池長41m，其中斜坡段長14.8m（前端5.5m設(shè)在閘底板的下游側(cè)）；底板厚度為1.5m，面層設(shè)防裂鋼筋，消力池深2.0m，末端設(shè)消力坎，坎頂與地面齊平?？v堰右側(cè)消力池寬度為33.2m，消力池長41m，其中斜坡段長8.8m（前端5.5m設(shè)在閘底板的下游側(cè)），底板總厚度為2m，消力池深1m。在消力池底板設(shè)置間距2.5×2.5m梅花形布置的無砂混凝土排水體排出基底滲水。宣泄常遇洪水時(shí)優(yōu)先使用左側(cè)9孔消力池消能。（2）海漫消力池出口下游河床地基上部為礫砂層，土質(zhì)松散，抗沖刷能力弱，在水閘下泄高速水流沖刷下，極易產(chǎn)生沖刷破壞。為了避免消力池下游河床受到?jīng)_刷破壞，經(jīng)計(jì)算確定下游設(shè)海漫總長度35 m，其中水平段c20混凝土海漫長10m，斜坡段格賓網(wǎng)石籠海漫長25m，按1：50的坡度斜向下游，海漫厚度均為0.5m。為適應(yīng)沉陷變形，混凝土海漫底板順?biāo)鞣较蚍挚p與消力池底板相同。（3）防沖槽在格賓網(wǎng)石籠海漫后設(shè)置格賓網(wǎng)石籠防沖槽，底寬3.0 m，槽深約2.5m，頂部高程為1m，底部設(shè)置在基巖面，防沖槽開挖邊坡采用1：2，上游與海漫相接，下游與河床原地面順接。左9孔消力池?cái)嗝嬉妶D1?？偠灾?，本工程雖然水閘的水頭不大，但是由于水閘過閘流量大，加上河道土質(zhì)抗沖能力較小，將出現(xiàn)消能防沖的較不利工況。因此