柔性護坦與孔口及篩網結合消能功在攔河閘的應用

田春玲，張麗偉

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春130021)

消能功在水利工程中是一項必不可少的建筑物，其效果和投資也比較顯著。因此在工程上采用新技術、新結構、新材料和新工藝，以較少的投資，獲得較大的經濟效益和社會效益，已成為設計者首要考慮的課題。尤其是因消能不充分導致工程破壞占已破壞工程量的61%左右。因此采用一種新型的消能功，不僅可以提高消能率，而且可以節省工程費用。長春市凈月鄉曙光攔河閘就是利用了一種新型消能功—柔性護坦與孔口及篩網相結合，取得了較好的效果。

1 消能功型式

柔性護坦與孔口及篩網相結合，使水流發生了劇烈的摻氣、擴散、內外摩擦和沖擊而消耗大部分能量。曙光攔河壩的結構為堤頂溢流的滾水壩，溢流壩面采用柔性護坦—楔形塊護砌、壩體填料為透水料，這不僅適應基礎凍脹和不均勻深陷引起的變形，而且還因自然形成的多級梯形有利于底部消能，減少沖刷。在靠近左岸9.0m處設一泄水孔，泄水孔出口采用篩網消能功，使高速水流流經篩網，降低了出口水流流速，縮短池長，使主流不直接接觸河床，達到了消能的目的。

曙光滾水壩壩頂高程根據上游灌溉用水要求確定為97.5m，設計最大流量為50m3/s，相應的上游水位為98.845m，挑角θ=0°，壩長20m，壩坡1∶5。河床面高程為94.0m，壩高3.5m。泄水孔截面尺寸為1.5×1.0m2。進口底高程為95.853m。篩網為多孔的鋼筋混凝土結構，與泄水孔形成剛性整體結構。護砌出口段長8.40m，如采用底流消力池，池長15m，海漫段長20m。經比較可節省工程量64%。

壩后消能采用面流消能。柔性護坦與孔口及篩網消能功相結合，水流流態非常復雜，從水流流態觀察，水流分成3股，自左右溢流壩面溢流和泄水孔出流，經篩網消能功水股混摻、碰撞，水流通過篩網與池內水墊對沖而后擴散，平穩地出池，未見回流及不利液態。從運行上看，其防護段未見沖刷跡象。

2 面流消能計算

根據該工程要求，滾水壩上游水位在97.75～98.845m（相應流量為 5.25～50m3/s）間變化時均發生面流銜接。

2.1 壩長的確定

壩長按平槽泄量50m3/s，來確定：

式中 Q—攔河壩泄流量，50m3/s；σs—淹沒系數，0.931；m—流量系數，0.367；H—堰上水頭，1.345。

2.2 坎高a的確定

（1）在各級流量下最小坎臺高度

式中 Fr1—坎上弗勞德數；v—坎上流速；h1—坎上水深；η—η=-0.4θ+8.4，θ為挑角，取 θ=0°。

（2）形成自由面流的界限坎高

式中hokp—臨界水頭增值，可按下式計算；h1—坎上水深；ht—下游水深；

其中 α1，αt為動量修正系數，取 1.0；t2=a+h1，a為坎高。

（3）形成淹沒面流的界限坎高

式中符號意義同前，但在計算a4時A值中t2=a＋hokp。

經計算求得：a1=0.625m、a4=0.8m。

按淹沒面流區間設計，應滿足：amin＜a≤0.95a4，即 0.52＜a≤0.95×0.8=0.76選取 a=0.55m。

2.3 液態復核

當按淹沒面流區間設計時應滿足：

式中 ht4—第四臨界流態（產生淹沒面流）時臨界水深值；h″

t5—第五臨界流態（產生回復底流）時界限水深；hk—臨界水深；a—坎高，0.55m；p—壩高，3.5m。

經計算各級流量下計算結果均滿足要求。

3 結語

（1）柔性護坦與孔口及篩網相結合，使水流在離開建筑物時，已發生劇烈的摻氣、擴散、內外摩擦和沖擊，而消耗大部分能量，因而可縮短池長及消除波浪，節省工程費用，且結構安全可行。

（2）孔口及篩網作為輔助消能功，尚未有確切的計算理論，因此理論上還需要進一步完善。

[1]李煒.水力計算手冊[S].北京:中國水利水電出版社.