桐溪湖（含水道）湖泊工程出水口的消能防沖設計

范 平

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

近年來，長株潭一體化進程有序推進，觀音港新城地處長株潭地理中心位置，隨著區域城市化進程的推進，觀音港新城將成為長株潭一體化發展中的重要節點和發展平臺。桐溪湖湖泊（含水道）工程（以下簡稱“桐溪湖工程”）位于瀟湘大道西線以西，坪塘大道以東，桐溪湖路以南，巡撫東路以北合圍的區域內，湖泊及水道占地面積27.87 萬m2，湖泊水面高程40.00 m，水深（1.5～3.0）m，湖底高程為（38.5～37.0）m，湖水總容量約為44.28 萬m3，桐溪湖工程還含約2 550 m 長的水道，水道寬度（20～39）m，水道主要布置在桐溪湖南側，基本沿巡撫路走向布置，西南邊截止于坪塘大道，東邊截止于瀟湘大道西線，此處是整個桐溪湖距離湘江最近處，距離湘江西岸堤防約150 m。桐溪湖平面布置見圖1。桐溪湖工程等別為V 等，出水口水工建筑物級別為4 級。

圖1 桐溪湖（含水道）湖泊工程平面布置圖

2 水文、地質情況

根據規劃要求和水文計算桐溪湖出水口按200年一遇洪水標準，設計洪水流量為62.1 m3/s，根據長沙市暴雨強度計算公式，桐溪湖工程計算暴雨流量為49.91 m3/s。本設計桐溪湖排水流量取較大值Q=62.1 m3/s。

根據規劃，桐溪港～觀音湖段水系設計水面高程為40.0 m，設計水面雍高0.3 m，因此桐溪湖工程設計洪水位取40.3 m。

桐溪湖出水口基礎落于中風化泥質粉砂巖，巖石的地基承載力特征值不小于1 000 kPa，摩擦系數不小于0.45。出水口區域地質構造簡單，未發現影響場地穩定性的不良地質作用，場地目前處于穩定狀態。

3 桐溪湖工程出水口消能設計

3.1 出水口基本情況

桐溪湖出水口設置在桐溪湖出口水道三與瀟湘大道南延線交匯處，桐溪湖出水口由排水閘和溢流壩組成，排水閘設置三孔閘門居中布置，每扇閘門2.5 m寬，排水閘兩側各布置13.5 m 寬溢流壩，溢流壩堰頂高程40.0 m。桐溪湖出水口設置排水閘和溢流壩，可以在平時桐溪湖入湖流量Q 較小時（Q≤7.43 m3/s），維持40 m 高程湖水水面，多余湖水通過溢流壩自行溢流排出，當入湖流量較大（Q＞7.43 m3/s）需要泄洪以及進行湖底清淤、換水時，打開閘門可以泄洪和迅速排空湖水。桐溪湖出水口上游連接段設置鋼筋混凝土鋪蓋和護底，上游翼墻采用重力式直墻結構，與河道側壁銜接，下游消能后通過箱涵與湘江西岸堤防工程修建的桐溪港連通涵相連。

桐溪湖出水口下游通過新建箱涵與桐溪港連通涵相接，箱涵需從瀟湘大道西線下穿過，而規劃瀟湘大道西線在桐溪湖出水口南側約135 m 處的巡撫路口將進入隧道，下穿湖南省政府接待中心，因此桐溪湖出水口處瀟湘大道路面高程較低，約為33.0m。先期建設的湘江西岸堤防工程中設計新建的桐溪港連通涵已經考慮該處路面高程問題，連通涵進出口底板高程均為28.5m。桐溪湖出水口處水道底部高程為37.0m，而出水口下游連接箱涵底板高程為28.5 m，因此桐溪湖出水口上下游水位差相比同等規模水閘大許多，而且該出水口位于先導區核心區域內，消能設施占地面積要盡可能小，與周圍環境和景觀要盡量相融合。

3.2 桐溪湖出水口消能設計

3.2.1 消能設計參數

（1）出水口上、下游水位的確定。

根據市政規劃設計，桐溪湖上游設計水位為40.30m。

桐溪湖出水口下游經桐溪港連通涵與湘江連通，按桐溪湖內發生200年一遇洪水62.1 m3/s，外河湘江維持30.01m 水位的最不利情況下反算連通涵進口水位為31.50m，桐溪湖出水口下游設計水位定為31.50m。

（2）單寬流量和閘孔寬度的確定。

桐溪湖出水口設計流量Q=62.1 m3/s，分別擬定溢流壩寬度和閘孔尺寸根據上下游水位和流量計算公式復核溢流堰流量和閘門泄洪流量。

為最大限度利用河道寬度自由溢流，盡量減少閘門運行調度，設計考慮充分利用39 m 寬河道，除了在河道居中位置布置3 孔泄洪閘門外，在兩側剩余河道寬度范圍內布置溢流堰維持湖水水面高程的同時自由排出桐溪港撇洪渠來水。擬定兩側溢流壩凈寬為2 m×13.5 m，排水閘孔凈寬2.5 m，中墩1.2 m，邊墩1.0 m，根據堰流流量計算公式推算結果為兩側溢流堰Q1=7.43 m3/s，在桐溪湖來水超過該流量后，為維持桐溪湖湖面高程不超過40.3 m，需要開閘泄流，三孔閘門全開最大泄流流量Q2=58.2 m3/s，Q1+Q2=65.63 m3/s＞62.1 m3/s，滿足桐溪湖泄洪要求。溢流壩單寬設計流量為0.27 m3/s，排水閘單寬設計流量為7.76 m3/s。

3.2.2 溢流壩消能設計

桐溪湖出水口由排水閘和溢流壩兩部分組成，溢流堰采用常用的平底板寬頂堰，開敞式進口邊緣修圓的堰面曲線。溢流堰堰頂高程40.0 m，溢流面曲線采用WES 型冪曲線，桐溪湖湖水面設計雍高0.3 m，溢流壩總寬27 m，雍高小、溢流壩段寬，經計算溢流壩單寬流量僅為0.27 m3/s。溢流壩壩高12.3 m，采用重力壩壩型，設計經過綜合比較后采用溢流面臺階消能+壩后消力池的消能設計。本工程溢流壩采用此種設計，加大的溢流壩下游面坡比既能有效滿足重力壩穩定及應力計算要求，也有效地減小了下游消力池部分的結構尺寸，簡化了下游消能設施，降低了工程規模及工程投資。

3.2.3 排水閘消能設計

（1）排水閘消力池型式選擇。

桐溪湖排水閘上游河底高程為37.0 m，下游設計涵管底板高程為28.5 m，高差8.5 m，如采用傳統的水躍消力池設計方式，即使陡坡段采用最大1∶3 坡比，加上水躍長度后，消力池長度至少要50 m 長。桐溪湖出水口緊鄰瀟湘大道，在不大量占用桐溪湖水道的情況下基本無法布置。

由于桐溪湖排水閘位置的特殊性，導致水閘位置河槽斷面驟然變化，排水閘高位水深急劇地變成低位水深，使水面形成陡直自由跌落的水跌特例，水躍在撞擊下游槽底之前，無反曲線發生。自由跌落水躍與跌塘消力池采用的計算模型跌落式水躍（圖2）相同，跌塘消力池是水流從溢流堰頂直接跌落到消力池內的一種消能工，采用此種水躍模型，其下游消能有三種方式，即用水躍消力池、撞擊式消力池及格柵式消力池。

圖2 跌落式水躍示意圖

跌塘消力池按水躍式設計與一般水躍消力池相同，只是水躍起點需要計算。在圖3 中水躍起點（X點）與跌落高度有關，并受水舌下方水深的影響，下游水深足夠的情況下（下游水深>共軛水深d2），此種消力池可按一般水躍消力池設計。

圖3 水躍式消力池示意圖

格柵式跌塘消力池（圖4）主要用于弗勞德數F1從2.5 到4.5 之間的跌落式水躍，這種消力池的格柵將水舌分割成片狀水股，然后垂直向下方的消力池跌落，進行消能。為了使消能有效，對格柵的長度LG 有一定的要求，即入流水體到達格柵尾之前應都已向下跌落。因此，格柵長度與入流流量、流速、及柵槽面積等因素有關。

圖4 格珊式消力池示意圖

撞擊式跌塘消力池（圖5）大量地運用于小型灌渠渠道及水土保持工程的泄水建筑物上，它主要是靠入流水舌的碰撞和紊動消能，其特點是對下游水深的要求與跌落高度的關系較小，在較大的下游水深變幅范圍內具有良好的消能特性。

圖5 撞擊式消力池示意圖

經過分析計算，本工程跌落水躍的共軛水深d2=4.034 m＞下游水深3.0 m，弗勞德數F1=4.96，采用水躍式消力池和格柵式消力池不如撞擊式消力池經濟合理，綜合比較后本工程排水閘采用撞擊式跌塘消力池，可最大限度減少消能工平面尺寸和工程投資。

（2）排水閘消能計算。

關于跌落式水躍的水利特性，蘭德（Rand）首先提出跌落系數的概念，并定義跌落系數D 為：

式中 q——單寬流量；

g——重力加速度；

y——跌落高度；

D——跌落系數。

由試驗得出下列函數關系：

式中Ld為跌落距離亦即跌坎墻腳到水深為d1處的距離；但此式沒有考慮下游水深的影響。df為水舌下方的水深，d1為水舌趾部處水深，亦即水躍首部水深；d2是相應于d1的共軛水深。設dc 為臨界水深，由于，故得：，又由于F1=于是有以上得出dc～D 及F1～D 的關系供計算使用。撞擊式跌塘消力池形式見圖5，消力池定型設計相關尺寸如下：

消力池最小長度LB=Lp+2.55dc；坎腳到消力墩上游面的最小距離=Lp+0.8dc；最小尾水深度dtw=2.15dc；消力墩最佳高度=0.8dc；消力墩的寬度及間距=0.4dc±；尾坎最佳高度=0.4dc。

（3）消力池計算結果。

經過計算，撞擊式消力池設計最小水深dtw=3.81m，為滿足最小水深要求，消力池底板高程確定為27.65m，消力池最小長度Lb=13.08m，消力池設計尺寸為13.5m，消力墩高度1.42 m，消力墩間距0.71m，共布置7個消力墩，尾坎高度0.8m。計算結果見附表，消力池尺寸及桐溪湖出水口結構設計見圖6。

4 結 論

從圖6 可以看到，桐溪湖出水口充分利用了水道寬度，在排水閘兩側布置較寬的溢流壩以最大限度減少閘門運行調度。根據溢流壩段單寬流量較小的特點，采用臺階消能+消力池方式使得整個溢流壩段+消力池結構尺寸控制在15 m 以內； 桐溪湖出水口排水閘采用撞擊式跌塘消力池，閘后消力池長度為13.1 m，有效減小了排水閘整體結構尺寸，排水閘閘室、消力池及下游連接段總體結構尺寸僅為25 m。整個桐溪湖出水口布局合理、結構緊湊，同時按照市政建設的景觀要求，在出水口下游布置了梁板系將整個桐溪湖出水口下游消能工進行覆蓋，便于后期在出水口上進行桐溪湖環湖景觀設計以及道路兩側綠化布置。

附表 消力池計算成果表

當前城市發展和建設越來越重視市政工程與生態、環保及景觀相結合相協調，城市建設中的河湖改造、濕地公園等涉水項目的建設，既是水利工程同時也屬于市政工程建設范疇。本工程就是水利工程與市政工程相互融合的典型案例，桐溪湖位于長株潭融城后長沙市地理位置的中心區域，新城區的規劃建設對市政工程在各個方面都提出了更高的標準和要求，本工程改造了原桐溪港撇洪渠的河道，新建了人工景觀湖泊，滿足了城市建設的生態、環保和景觀需求，同時桐溪湖承擔了相應片區的市政排水功能，桐溪湖出水口更是需要綜合考慮各方面因素針對消能工進行特殊設計，通過合理布置消能工較好地解決了桐溪湖出水口水工建筑物的消能防沖問題，同時也滿足了市政工程建設中的道路、隧洞規劃，后期景觀設計及綠化布置等各方面的高標準高要求。

圖6 桐溪湖出水口結構設計圖