大民濕地進水閘消能方式的選定

楊慶華

(齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

1 工程簡介

齊齊哈爾市大民濕地位于黑龍江省齊齊哈爾市西南，距城區18km，原為嫩江天然河道，于1970年作為齊齊哈爾市污水處理用地改造為氧化塘，后經1987年、1998年進行兩次改造擴建，利用自然凈化原理和嫩江的自凈作用，形成冬儲夏排、枯儲豐排的運行機制，成為全國最大規模的氧化塘。

大民濕地與嫩江連通工程任務是在現有工程基礎上，通過新建進水閘、清淤河道、加固湖岸等工程措施，使大民濕地水流動起來，水質與嫩江接近，并達到一定的景觀效果。

大民濕地占地807 hm2，工程實施后，大民濕地水面面積681hm2，增加水面面積324 hm2，增加蓄水量332萬m3，濕地年補水量528萬m3。

進水閘位于大民濕地圍堤3+588處，為進水涵閘，孔口尺寸為2.5m×2.5m×2(寬×高×孔數)。閘中軸線與大民濕地圍堤垂直。工程布置主要由進口護岸、引渠護砌段、鋪蓋段、前閘室段、洞身段、后閘室段、消力池段和海漫段組成。

2 進水閘消能方式

水工建筑物消能方式主要有底流消能、挑流消能和面流消能3種形式，相應的消能工為水躍消能、挑流鼻坎、戽斗和跌坎。

2.1 底流消能

底流消能設施通常為消力池，利用下泄高能急流到緩流產生水躍進行消能。適用于各類地基上中低水頭建筑物，對尾水變化適應性強。底流消能優點：水躍穩定，安全可靠，消能效果好，下游水面波動小。缺點：消力池的底板較厚且長工程量大，增加工程造價，水頭較高時消力池的前端易產生空蝕。當閘下尾水深度小于躍后水深時，可采用下挖式消力池消能。

2.2 挑流消能

挑流消能是在建筑物末端設置挑流鼻坎，水流向下游挑射，射流在水墊內消能，與下游緩流銜接。適用于高、中水頭地質條件較好的建筑物消能。挑流消能的優點：結構簡單，節省防護工程量，可降低造價，消能效果好。缺點：空中霧氣大，尾水波動大，要求下游河床抗沖能力強。當水閘承受水頭較高，且閘下河道及岸坡為堅硬巖體時，可采用挑流式消能[1]。

2.3 面流消能

面流消能分為戽斗面流和跌坎面流，戽斗面流的流態對尾水位的變化比較敏感，對岸坡的穩定性要求較高，水頭高流量大的建筑物利用此種消能方式的工程不多；跌坎面流是利用設置在溢流壩末端的跌坎，把水流導至下游水流表面，在跌坎附近形成旋滾達到消能效果，適用于水頭較低的中、小型工程。跌坎面流消能的優點：主流在表面，底部流速小，不易沖刷河床，有利于漂木、漂冰和宣泄其他漂浮物。缺點：水流銜接形式復雜多變，不易控制，下游水面波動很大，兩岸易遭沖刷。當水閘閘下游尾水深度較深、且變化較小，河床及岸坡抗沖能力較強時，可采用跌坎面流式消能[1]。

3 進水閘消能的選定

消能方式的選擇是十分復雜的問題，需結合工程實際特點，兼顧水力、地形、地質及應用條件進行綜合分析選定。

3.1 地質條件

經勘察堤身以下主要地層為第四系全新統湖積地層(Q4pl)、沖積地層(Q4al)以及上更新統沖積地層(Q3pl)，巖性為泥炭質低液限黏土、低液限黏土、級配不良細砂、級配不良粗砂以及級配不良礫等。進水閘消力池基礎坐落于③級配不良細砂土層之上，為砂性基礎，抗沖刷能力差。

3.2 水力條件

進水閘上游20a一遇洪水位為146.94m，下游最高水位為143.97m，下游溝底高程為141.72m，進水閘上、下游水位落差較小，下游水深為2.25m，下泄高能急流易產生淹沒式水躍，消能效果較好。

3.3 應用條件

北方平原地區水工建筑物多采用底流消能，結構簡單、施工方便、便于維修。進水閘設計流量為10m3/s,流量及上下游水頭差小便于采用常規消能方式。

綜合以上條件分析，大民濕地與嫩江連通工程進水閘消能方式采用底流消能。

4 進水閘底流消能計算

進水閘根據選定的底流式消能方式進行消能計算，消力池為鋼筋混凝土U型槽結構，過水斷面為漸擴式矩形斷面。

4.1 消力池深度按下述公式計算：

d=σ0h″c-hs'-ΔZ

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：d為消力池深度，m；σ0為水躍淹沒系數，采用1.05；g為重力加速度，采用9.81，m/s2；hc"為躍后水深，m；hc為收縮水深，m；α為水流動能校正系數；可采用1.0；q為過閘單寬流量，m2/s；b1為消力池首端寬度，m；b2為消力池末端寬度，m；T0為由消力池底板頂面算起的總勢能，m；△Z為出池落差，m；hs'為出池河床水深，m；φ為孔流流速系數，采用0.95。

4.2 消力池長度

可按下式計算：

Lsj=Ls+βLj

(5)

Lj=6.9(h〃c-hc)

(6)

式中：Lsj為消力池長度，m；Ls為消力池斜坡段水平投影長度，m；β為水躍長度校正系數，采用0.8；Lj為水躍長度，m。

表1 進水閘消能計算成果

大民濕地與嫩江連通工程進水閘消能方式采用底流式消能，消力池取池深1.0m,池長10.0m，建成后消能效果良好，下游未產生沖刷破壞[2]。

4 結 語

建筑物消能方式的合理選擇，對于工程布置、工程量、投資、工期、運行管理、維修養護等方面影響較大，根據工程地質、地形、水文、水力等條件結合消能方式的適用特點，遵循安全可靠經濟合理的原則，從而優選出合理的消能工布置。