水闸消能防冲优化设计探究

水闸消能防冲优化设计探究

张义

温州市水利电力勘测设计院有限公司  325000

摘要：水闸广泛运用于水利水电工程中。在设计过程中，水闸工程项目的泄流消能问题通常变成决策水工建筑使用期限的关键。以某水闸工程项目为例，阐述了水闸消能防冲优化方法的选取和水闸消能防冲的设计原理。在这个基础上，明确提出了水闸泄流和消能防冲的方案设计，从开挖、混凝土及钢筋工程量，消力池深、消力池底板厚、消力池水平段长及总投资等角度进行该水闸两种消能防冲方案的比较，最终确定选用水闸分三区泄水的方案，结果显示运行效果良好。

关键词：水闸；消能防冲；消力池；优化；设计

1工程概况

某水闸位于我国南部城市，其主要建筑物为三级，挡水总宽和总净宽度各为450米和335米。水闸在运转环节中，充分发挥着泄洪储水、保证河堤泄洪安全性等主要功效。水闸中下游段关键为感潮段，水闸地质层由上而下为中粗砂、污泥质砂、黏土、杂砂砾。水闸水流动能比较大，为防止中下游河堤的冲洗毁坏，乃至危害水闸、溢洪道和护岸的安全，务必在消能防冲设计方案上采取有效的措施。为了更好地开展水闸消能防冲设计方案，文章主要进行了水工断面模型试验分析，闸门开度分别按照0.25m、0.50m、0.75m、1.00m、1.25m和1.50m进行设计。

2水闸消能防冲优化设计

2. 1水消闸能消能防冲优化方式

水消闸能消能防冲方式包括面流消能、挑流消能和底流消能等。面流消能关键利用设定在溢流堰尾端的乱倒坎，将溢流堰左右径流量水流引到中下游水流表层，使乱倒坎附近水流与河道中间产生滚翻势，耗费一部分动能。 主要适用中下游水位大、波动小的场地； 挑流消能主要是根据挑流鼻坎，使水流抛到上空，利用气体水能和中下游水力作用起到消能目的，对中下游工程地质环境分析，底流消能就是指利用径流量，水流中下游设定的溢洪道、消力坎等水工建筑物，使水流产生水溅后，耗费一部分动能。泄水闸上下游水口较低，中下游水位线随潮位转变显著；因此，本工程选用底流消能对策。在消能方法确认的基础上，要依照泄水闸运行标准开展消能防冲设计方案。

2.2消能防冲优化设计

2.2.1水闸消能防冲设计原则

结合水闸具体运作状况，水闸上中下游水位、泄洪方法、过闸总流量纷繁复杂。因而，水闸中下游的消能防冲设计方案需要综合考虑各种影响因素，以做到水流匀称和机械能损耗最低的目的。首先，因为水闸流动速度大，水流急湍，要开展中下游消能解决措施。平原区地域水闸通常水口低，河土抗冲刷工作能力低，中下游水位转变大，本工程选用底流消能设计方案。另外，水流中下游消能水利设备，如溢洪道，需要达到水位的规定要求。同时，中下游泄洪产生的水位对河堤的冲刷应引发充分的高度重视，并实行相应措施。而且，加强水利闸门的调节和运用，不然容易造成欠佳流动的现象，如集中化流和折流式的水流，进而造成水工建筑物的冲刷和毁坏。依据水闸上中下游正常的水位，当水闸水位显著明显低于正常水位时，关掉水闸停水，维持高水位；当水闸内水位高过正常的水位和水闸外水位时，应逐渐打开水闸，保证水闸安全。当水闸内水位小于水闸外水位时，应关掉水闸以挡潮。

2.2.2分区消能设计

该水闸泄流系统分区及中下游溢洪道有下列两种计划方案：方案一：水闸泄流不系统分区，消能防冲按基本方法测算。依照每档0.25米的相对高度，阶段性电源开关闸门。在上下游来水的情况下，闸门会伴随着来水的提高而慢慢打开，最后实现设计方案开启度开展泄流。计划方案二：水闸分三个地区加水。正中间孔8 # ~ 20 #设定为II区开盘孔，两侧孔1 # ~ 7 #和21 # ~ 28 #各自设定为I区和III区开盘孔。在上下游来水的情况下，闸门的中孔会先开启。假如水深再次提升，2个侧孔将开至0.25米的第一个开口，当总流量做到平稳情况时，2个侧孔的开口应提升至1.50米，当总流量小于2000立方/秒时，2个侧孔将开至1.00米，如此循环系统，直到全部排水管道孔都开启至2.50米，当最后总流量提升至2000立方/秒以上时，全部闸门都应开启排水管道。水闸生产调度分配见表1。

表1水闸闸门调度安排表

3消能防冲计算

3.1泄流能力及上游壅高校核

测算以上二种闸门操纵运作方法的消能防冲。上下游回水闸门泄流能力和宽度为14.00m，门坎高程为-1.00m，闸门泄流能力和回水高度依据闸门设计标准测算。数值如表2所显示。依据结论可以看得出，不同次数的径流量中，泄水闸上下游回水高度均小于0.30m，达到标准有关要求。

表2拦河闸泄洪能力和水位壅高的计算结果表

3.2闸下水流衔接及消能防冲

该闸水流衔接及消能防冲过程中，水闸应处于闸门全开状态，泄水闸上中下游水位差应在0.30m之内，水流从缓流入无消能堆积作用的有序推进。但在最不利因素下，单宽总流量和闸门上中下游水位差不断扩大，随着出入口水流动能较大。因而，消能防冲的控制规格需要依据泄流时的实际情况确定。依据闸门中下游河道的相对高度，确定消力池的电动尾门相对高度，取最不利因素下的最少水位作为消能的中下游原始水位。各个闸门的消能测算按闸门泄流后中下游水位平稳值开展。依据标准要求的计算公式底板厚度、消力池规格和海长，结论如下所示：底板厚度、消力池规格和海曼长等技术参数的控制没有在同一工作状况，消能防冲的主要规格需要按照不同工作状况明确。在本工程消能方案设计中全部泄流孔相匹配的消力池较大深层、长短、底板厚度和较大海曼各自为0.93m、13.85m、0.61m和32.35m。计划方案二第一口消力池的最大的深层、长短、底板厚度和海曼分别为0.93米、13.05米、0.60米和32.35米；I区和III区后张口两边不需要设定消力池。护岸段较大长短为13.40m，底板厚度为0.60m，海曼为32.35m，泄水闸泄流时发生的水跃单宽较大总流量作为消力池长短的设计方案总流量。当来水闸水量做为设计总流量时，应开启后口分洪，并适度减少消力池的规格和长短。

当中下游水位处在低工作状况时，应严格执行设计方案的开闭顺序，控制闸门运作，避免闸门建筑因泄流不稳定而被冲跑或毁坏。

4消能防冲方案选择

本工程从开挖量、混凝土和建筑钢筋用量、消力池深层、消力池底板厚度、消力池水准长短和总投资等领域对该泄水闸的两种消能防冲计划方案做好了较为，详细信息见表3。可知，设计方案二在施工期和投资层面有着显著的优点，由于在泄水闸孔两岸只设定了护岸，而并没有设定消力池，因此挡土墙和开挖工程量较少，并且其系统分区开闭设计方案可以在上中下游水位线差比较大时，立即开闸分洪，从而降低河道两边的冲洗能力。

表3水闸消能防冲方案的比选表

虽然方案二闸门设计复杂，但闸门控制应用恰当，可有效的防止集中化流、折流式的水流和欠佳流态对水工建筑物的毁坏，实现较好的分洪、消能和防冲效果。因而，本工程挑选设计方案2中的水闸消能防冲方案。

5结论

总的来说，水闸消能防冲设计要综合考虑单宽总流量、泄流方法、水位线差等条件，根据水闸调度方法的挑选，维持水闸系统分区设计与水闸调度的融洽。在消能防冲设计中，控制工作状况并不是大流量地设计洪水或强度校核洪水，反而是要依据水闸的真实运作状况开展各种工作状况的强度校核测算，以确保消能防冲设计的合理化。根据运作结果显示，水闸的系统分区设定和水利闸门控制方法的挑选，可以确保闸流与中下游河堤水流的顺畅。

参考文献

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