某水閘消能加固設計優化研究

劉 歡

(深圳市廣匯源環境水務有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516000)

1 概述

消能是在泄水建筑物和落差建筑物中，防止或減輕水流對水工建筑物及其下游河渠等的沖刷破壞而修建的工程設施，其目的是為了消耗、分散水流的能量[1-3]。惠州市東岸水閘工程經過檢查發現，閘門高水頭差擋水時，結構安全復核結果不滿足現行規范要求，防沖槽及右岸護坡多次發生沖毀，經分析消能防沖設施存在消能不徹底情況因此有必要重新進行消能結構加固設計[4-5]。

目前國內學者對消能結構設計研究進行了一定推進。楊啟功[6]以練江水閘為研究對象，基于過流能力、閘頂高程、抗滲穩定性、結構穩定性復核結論對水閘除險加固設計方案進行詳細研究比選，；楊啟龍[7]對溢洪道閘閘型方案進行了比較，同時對閘室結構進行了安全復核，復核后滿足設計要求；胡緒寶[8]以中山市坦洲鎮大涌口水閘為例，分析水閘運行過程中出現的主要病險問題，對水閘進行消能防沖復核、閘室穩定性復核、結構應力復核、基礎復核、結構抗震復核，分析結構存在的安全隱患，提出相應的安全加固方法，；周亮[9]就4種不同工況對洪澤站發電工況下的建筑物消能防沖及引河抗沖能力進行復核；梁華鋒[10]以某水利工程為例，對平原區水閘閘下消能防沖與閘門控制運行進行研究；李宗民[11]以具體工程為背景，利用水工模型試驗的方式，探討了水閘下游3道坎消力池的消能效果；宋海波[12]對哈拉西力克水閘進行安全評價分析，并對水閘在運行存在的問題提出有關建議。此外還有學者對水閘消能方式和基于水工模型試驗復核消能結構性能[13-14]。

本文以惠州市東岸水閘工程為例，為解決閘門高水頭差擋水時，結構安全復核結果不滿足現行規范要求，防沖槽及右岸護坡多次發生沖毀等問題，重新進行消能結構加固設計研究。根據《水力計算手冊》《水力學》《水閘設計規范》等參考中經驗公式進行復核計算，依次提出了海漫加固、拆除重建消力池以及多級消能加固方案。研究結果可為相關工程提供參考。

2 工程概況

東岸水閘位于潼湖圍的東江堤段、東岸泵站左側，是潼湖水利工程中集防洪、排澇于一體的重要水閘。水閘地理位置示意圖如圖1所示。東岸水閘于2015年5月建成投入運行，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，設計洪水標準為50年一遇，設計排澇標準為20年一遇，設計流量241m3/s。于2015年5月建成投入運行。2021年進行水閘安全鑒定，經鑒定為三類閘。根據閘門結構安全復核成果，工作閘門的剛度、強度和穩定性可滿足設計工況運行要求，但閘門高水頭差擋水時，結構安全復核結果不滿足現行規范要求，防沖槽及右岸護坡多次發生沖毀，經分析消能防沖設施存在消能不徹底情況如圖2所示，因此需要重新進行消能結構加固設計。

圖1 水閘地理位置

圖2 水閘下游防沖設施沖毀

3 消能防沖設施加固設計

根據前期設計和安全鑒定階段成果：①水閘設計運行工況(H上=7.67m，H下=6.57m，Q=241m3/s)，現狀消能防沖設施可滿足消能要求；②結合水閘實際運行條件，檢修工況或日常運行工況(H上=5.0m，H下=0m(水閘出口處東江常水位)，Q<150m3/s)時，因下游水深較小，水流沖刷較為嚴重，海漫末端及右岸護坡曾多次遭受沖刷破壞，消能防沖不滿足要求，存在消能不徹底問題。

本次除險加固設計針對閘下無水，即常水位0.00m，對Q≤150m3/s不同流量等級(25個流量一個等級)進行復核計算，設計方案滿足Q≤150m3/s(對應上游水位H上≤5.66m)、下游無水時的消能要求。

此外，根據現場調查水閘右側泵室出口末端消能設施局部有損壞，考慮海漫段需拆除重建，且為增大下游過流斷面，改善水流狀態，本次設計方案包含泵室側出口修復加固。

3.1 方案1——海漫加固

本方案設計擬拆除重建下游海漫及右岸護坡，由消力池末端至外江旋噴樁段位置。重建海漫段擬采用C30鋼筋砼結構，表面嵌大石，增加表面粗糙度，斷面示意如圖3所示。

圖3 海漫加固方案斷面示意圖

3.2 方案2——拆除重建消力池方案

根據《水力計算手冊》《水閘設計規范》《水力學》等相關資料，對不同流量等級的消力池尺寸進行復核計算，計算結果見表1。

根據上述計算結果進行方案分析，方案(2-1)～(2-5)消力池和海漫均拆除重建，工程投資較大；施工期間基坑開挖，對周邊建筑穩定較為不利，需進行適當支護，施工難度逐漸加大；末端尾坎下游為東江常水位0.00m，隨著海漫末端尾坎高度增加，尾坎后水面銜接流態逐漸變差，較高時易造成坎后河岸坡沖刷。此外，方案2-5現狀消力池保留，拆除尾坎，延長消力池，工程投資最省、施工方便，但末端2m高尾坎，水面銜接不利，易造成坎后岸坡沖刷；且上游水位低于2.0m時無法排水(根據實際運行情況，甚少出現)。綜上，方案2-3施工難度和對周邊建筑物影響均相對較小、坎后水頭差相對較小，消能較易解決。故消能設施拆除重建推薦方案2-3：消力池和海漫均降低1.0m，下游設2.0m的尾坎蓄水至1.0m。加固措施如圖4所示。

表1 拆除重建消力池方案復核計算結果

圖4 拆除重建消力池方案加固措施

3.3 方案3——多級消能方案

為減小施工期間，消能設施改造對上游閘室影響，本次擬采用方案為：保留現有消力池，拆除末端尾坎，滿足現狀一級消能長度計算要求；改造下游海漫，增設下游消能設施，形成二級或多級消能。

根據現場實際情況，本次選取下挖式消力池和消力坎兩種消能方式進行復核計算。根據底流消能原理，擬降低下游海漫高程，經試算，降低高度小于2.0m時，改造效果不明顯，故本次從海漫降低2.0m開始、0.5m一級進行復核計算，計算結果見表2。

根據上述計算結果進行方案分析可知，方案(3-1)～(3-6)一級消能相同，現狀消力池保留，拆除現狀尾坎，池長延長1.1m，末端設消力坎，坎高1.4m(自消力池底板算起)，需下級消能。然而，方案(3-1)～(3-3)二級消能采用下挖式消力池方案，消力池底板高程需降低至-3.0m高程可滿足消能要求，高于-3.0m時，消力池深度不能滿足消能計算要求。對于方案(3-4)～(3-6)下級消能采用消力坎消能方案，底板高程需降低至-3.0m時，流量≤150m3/s三級消能可滿足消能要求，高于-3.0m時，需下級或更多級消能。

綜上，流量≤150m3/s時，方案3-3和方案3-6計算可滿足消能要求。方案3-3：兩級消能(一級消力坎+二級下挖式消力池)，總長46m，下游海漫頂高程-1.90m；方案3-6三級消力坎消能，總長56m，下游海漫頂高程-3.0m。故方案3-3長度較短，下游海漫相對較高，施工難度和投資相對較少，故多級消能方案推薦方案3-3。加固措施如圖5所示。

圖5 多級消能方案斷面

4 消能防沖設施加固設計方案比選

對于方案一海漫加固，其施工方便，難度較易，施工對閘室安全影響較小，但消能不徹底問題未解決，后期仍存在一定的安全隱患，投資預算270萬元。對于方案二拆除重建消力池，改方案可徹底解決水閘下游消能防沖問題，但施工對閘室等周邊建筑影響較大，工期較長，難度較大。此外，消力池末端水流與外江水位仍存在至少1.0m水位差，對外江岸坡有一定的沖刷隱患，工程投資大，投資預算715萬元。方案三多級消能，其消能設施末端與外江水面無水位差，對外江沖刷影響較小，可徹底解決水閘下游消能防沖問題。消力池不動，施工部位為海漫段，施工對閘室穩定等安全影響較小，工程投資較大，為520萬元。因此，根據以上駁岸點，臨時碼頭上面結構采用貝雷梁鋼結構搭設面板，下部采用鋼管樁作為支撐結構，每跨渡槽槽身采用起吊質量100t起重船進行水上吊運至臨時碼頭，30t裝自卸汽車拉至岸邊，再采用液壓破碎機現場破碎，將鋼筋、砼分離，最后用挖機或裝載機配合裝8t自卸汽車將其拉運至指定棄渣場進行堆放處理。

表2 多級消能方案復核計算結果

分析，綜合經濟成本、加固效果以及環境影響，本次除險加固設計推薦方案3，即消能設施除險加固采用多級消能方案：一級消力坎+二級下挖式消力池。

5 結論

本文對惠州市東岸水閘工程重新進行消能結構加固設計研究，依次提出了海漫加固、拆除重建消力池以及多級消能加固方案。最后研究發現，采用一級消力坎+二級下挖式消力池的加固方式，長度較短，下游海漫相對較高，施工難度和投資相對較少，且加固效果較好，值得相關工程借鑒應用。但考慮到現狀水閘下游為擴展型，且斷面變化較大，計算難以反映水流實際情況等問題，建議后期實際設計中采用三維數模或物理模型進行消能防沖設計方案的合理性進行驗證和完善，并為后期設計提供技術支撐。