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小槛辅助消能工在消力池中的分析与应用周 明（沈阳市水利建筑勘测设计院有限公司，辽宁 沈阳 110015）摘 要本文针对中小型水闸除险加固中消力池水平段需要加长的问题，提出了不破坏原有消力池的结构形式，将原消力池尾坎作为小槛辅助消能工的方法。文中以乌牛节制闸为工程背景，利用理论推导的方法，得出小槛消能公式并应用于工程实际，可为类似工程提供借鉴。关键词小槛；辅助消能工；公式推导；中小型水闸中图分类号 TV653文献标识码B文章编号 10020624（2023）040052021 工程概况乌牛节制闸是灌溉与防洪为一体的综合性枢纽工程，坐落在沈阳市蒲河中下游的张屯镇乌牛堡村。节制闸建于1990年，为该地区农业生产和防洪发挥了巨大的作用。该闸每年3月进行拦蓄河水，5月进行水田灌溉；每年69月防汛期间，节制闸闸门全开，开闸行洪。节制闸灌溉期正常节制水位34.56 m，防洪设计标准为10年一遇，设计流量 469 m3/s，校核标准 20 年一遇，校核流量620 m3/s。乌牛节制闸上游为长8.00 m、宽52.00 m的混凝土前铺盖。闸室段底板长 10.00 m，单孔净宽8.00 m，共6孔，总宽52.00 m，堰顶高程为31.26 m。闸室下游设挖深式混凝土消力池，池长 12.80 m，其中，水平长7.20 m，池深1.00 m，宽52.00 m，底板顶高程为 29.86 m，两侧为混凝土悬臂式挡土墙。干砌石海漫长 36.00 m，两侧为混凝土预制板护坡，坡度为1 2。节制闸运行多年，下游混凝土消力池与干砌石海漫连接处冲毁严重，海漫首端已形成较大的冲刷坑，两侧护坡存在一定的损毁。2013年对乌牛节制闸损毁处进行除险加固改造。2 加固前水闸消能计算分析根据节制闸运行实际情况考虑两种工况：工况一，灌溉期正常挡水情况下，当上游水位达到节制水位后，若上游来水量继续增加，则闸门同步逐渐抬高，保证节制水位不变；工况二，汛期闸门全开情况下，汛期前闸门全开，保证节制闸处不影响行洪，上游水位逐渐升高。两种工况的下游水位，参考实测水位流量关系曲线。消能计算采用SL 2652016 水闸设计规范附录B中的公式1：d=0hc-hs-z（1）hc=hc2|1+8q2gh3c-1（2）h3c-T0h2c+q22g2=0（3）z=q22g2h2s-q22g2h2c（4）Lj=6.9()hc-hc（5）Lsj=Ls+Lj（6）式中：d为消力池深度，m；0为水跃淹没系数；hc，hc为水跃前、跃后水深，m；hs为下游河床水深，m；z为出池水位落差，m；为动能修正系数；q为过闸单宽流量，m3/s；T0为从消力池底算起的闸前总水头，m；为消力池出池流速系数；Lj为水跃长度，m；Lsj为消力池长度，m；Ls为消力工程建设与管理东北水利水电2023年第4期 52DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.04.012池斜坡段水平投影长度，m；为水跃长度校正系数，采用0.8。两种工况消能计算结果见表1。表1 工况一消能计算结果表根据以上计算结果，乌牛节制闸现状消力池深度满足设计要求，消力池现状水平长度不满足计算要求。此次除险加固消力池考虑3种改造形式：方案一，拆除原消力池，新建消力池；方案二，拆除原消力池尾坎，接长原消力池水平段；方案三，原消力池不动，不破坏原有消力池的结构形式，接长消力池水平段，原消力池尾坎作为整体混凝土槛设置于消力池中，可作为辅助消能工，即小槛，主要起到反击水流的作用，以此来减小跃后水深和缩短水跃长度，达到强制水跃的目的。3 小槛消能理论公式推导小槛设置在水跃区内，受到区内高速水流的冲击，产生反击作用，分担动水压力。作用在小槛上的反击力R2，计算公式：R=CbV2c2gA（7）式中：R为槛的总阻力，kN；Cb为阻力系数，取值见表2；为水的容量；Vc为跃前流速，m/s；g为重力加速度；A为槛迎水面积，槛高为e，槛宽为b，则A=be。根据动量方程，写出图1中跃前断面C-C和跃后断面之间的能量方程：Qg()cvc-cvc=Pc-Pc-Ff-R（8）式中：Q为流量，m3/s；vc，vc为水跃前、跃后断面处的平均流速，m/s；c，c为水跃前、跃后断面处的水流动量修正系数；Pc，Pc为水跃前、跃后断面上的动水总压力，kN；Ff为水跃中水流与池壁接触面上的摩阻力，kN；R为作用在小槛上的反击力，kN。根据水跃实际情况对能量方程进行简化3：假设一，设水跃前、后断面处的水流为渐变流，作用于断面上的动水压强服从于静水压强分布规律，即c=Achc0（9）c=Achc0（10）式中：Ac及Ac分别表示水跃前、后断面的面积，m2；hc0及hc0分别表示水跃前、后断面形心距水面的距离，m。假设二，由于水跃段中的边界切应力较小，同时跃长不大，故Ff与Pc-Pc相较一般甚小，可忽略不计，即Ff=0。假设三，c=c=1。又根据连续方程：vc=QAc（11）vc=QAc（12）将上述各公式代入式（8）中，简化整理后可得：Q2gAc+Achc0=Q2gAc+Achc0+R（13）对于矩形消力池，以b表示池宽，q表示单宽流量，则Q=bq，A=bh，hc0=hc2。将上述各公式和式（7）代入式（13）中，简化整理后可得：工况一二堰上水头34.5634.5634.5634.5634.5634.5632.7633.2633.7634.2634.7635.26T0/m3.934.584.554.464.294.212.032.833.413.964.374.47q/(m3s-1)2.224.065.797.338.669.142.774.265.957.829.8612.05hc/m0.260.480.700.931.171.260.540.690.891.101.351.73hc/m1.792.492.873.093.173.191.492.052.502.953.313.46d/m0.230.880.850.760.590.510.130.430.510.560.470.07Lj/m10.5213.9214.9314.9513.8513.286.599.3311.1012.7713.5111.93Lj/m8.4211.1411.9411.9611.0810.625.277.478.8810.2210.819.55表2阻力系数取值表图1 小槛辅助消能工消能计算示意注：x为从水跃起点到槛的距离；L为平底消力池的水跃长度Chc0hc0CFfRCVcPchcCK槛的位置xLCb00.120.460.120.400.180.460.400.600.050.180.600.010.12（下转第65页）2023年第4期东北水利水电工程建设与管理vchcvcPcK 534 结 语由于地质环境及有限钻孔勘探数据的影响，土石坝筑坝材料通常存在着不确定性，同时土石坝边坡中也存在着多种失效模式。多重克里金方法可以较好地解决此类问题，为实际土石坝工程的稳定性分析及可靠度评估提供了有效方法。此外，本文研究发现粘聚力和内摩擦角变异系数的增大会导致土石坝边坡失效概率的增加，故而在工程建设中应当严格控制筑坝材料质量以降低参数不确定性对筑坝质量的影响。参 考 文 献1徐竹青，张桂荣，郑军.我国病险土石坝隐患分类及快速检测方法概述 J.水利与建筑工程学报，2010，8（3）：50-52.2曹子君.子集模拟在边坡可靠性分析中的应用 D.成都：西南交通大学，2009.3黎嵘繁，钟婷，吴劲，等.基于时空注意力克里金的边坡形变数据插值方法 J.计算机科学，2022，49（8）：33-39.4罗正东，董辉，陈铖，等.基于克里金模型的边坡稳定可靠度分析方法 J.岩土力学，2015，36（S1）：439-444.5Tan X，Wang X，Khoshnevisan S，et al.Seepage analysisofearthdamsconsideringspatialvariabilityofhydraulicparametersJ.Engineering Geology，2017：S0013795217306129.6杨鸽，朱晟.考虑堆石料空间变异性的土石坝地震反应随机有限元分析 J.岩土工程学报，2016，38（10）：1822-1832.7张健萍，周东.基于概率统计的土石混合体边坡可靠度分析方法 J.中国安全科学学报，2018，28（5）：141-146.8Phoon K K，Kulhawy F H.Evaluation of geotechnicalproperty variability J.Canadian Geotechnical Journal，1999，36（4）：625-639.收稿日期 2022-11-11收稿日期 2022-09-28（上接第53页）q2ghc+h2c2=q2ghc+h2c2+Cbq22gh2ce（14）从式（14）中可以分析得出，小槛的反击力增加了水跃后断面的冲量，因此降低了水跃后断面所需要的共轭水深，即反击力R越大，则h2c越小。对式（14）整理得到小槛消能公式：2hcq2ghc()hc-hc-h2c()h2c-h2c=Cbq2ge（15）因有槛和无槛时的流量和水跃前水深均相同，故可根据式（3）求出的hc代入式（15），式（15）等号右端为常数，通过试算hc使式（15）成立而得到。4 小槛消能计算分析根据表1可以得出，决定消力池水平长度的工况为q=7.33m3/s，hc=0.93，将此工况代入式（15），通过试算可得表3。表3 无槛 有槛消能计算结果对比表由表3可以看出，方案三在不对原有消力池混凝土结构破坏的情况下，还能缩短水平池长，既节省投资造价，又能降低施工难度。因此，选择方案三作为节制闸消力池除险加固的最终方案。5 结 语研究资料表明，为了避免辅助消能工处发生空蚀现象，消力池内流速不大于15 m/s，辅助消能工能安全运行，而该闸消力池内流速均远小于这一指标，因此，该闸小槛处发生空蚀的可能性很小。节制闸除险加固后运行至今，特别是2022年汛期，蒲河发生近20年来最大洪水，加固后的消力池运行良好。以小槛作为辅助消能工，在消力池设计中应用较少，此次理论推导适合于无水工模型试验的中小型水闸水平消力池接长，对于大型水闸应通过水工模型试验加以验证。参 考 文 献1水利部水利水电规划设计总院.水闸设计规范：SL 2652016 S.北京：中国水利水电出版社，2016：61-62.2李炜.水力计算手册（第二版）M.北京：中国水利水电出版社，2006：117-118.3吴持恭.水力学（第二版）M.北京：高等教育出版社，2002：337-338.4华东水利学院.水闸设计（上册）M.上海：上海科学技术出版社，1985：55-57.形式有槛无槛hc/m0.930.93hc/m2.933.09Cb0.060e/m10Lj/m11.0711.96计算增加水平池长/m3.284.162023年第4期东北水利水电工程建设与管理 65Water Resources&Hydropower of NortheastNo.4 2023（Total No.465）Experimental study on main influencing factors and influencing lawsof impermeability of dispersed soilQI QiAbstractDispersive soil has special properties,so feasibility demonstration and appropriate treatment measures should be takenin engineering application.Based on this,the effects of viscosity,porosity and dry density on the impermeability of dispersed claywere discussed