臨沂市蒙陰橡膠壩消能防沖設計分析

周玲玲

（臨沂市水利水電工程建設監理中心，山東 臨沂 276000）

蒙陰橡膠壩為充水式，橡膠壩全長307m，分為4跨，每跨長76m，中墩厚1.0m。橡膠壩底板高程為180.27m，橡膠壩正常蓄水位為180.57m，壩高2.3m。樞紐工程等別為Ⅲ等，主要建筑物橡膠壩級別為3級，次要建筑物斜坡式護岸級別為4級，臨時建筑物級別為5級。橡膠壩設計洪水標準和校核洪水標準均為50年一遇，50年一遇設計（校核）洪水流量為3323m3/s。由于橡膠壩運行過程中上下游水位差較大，為保護下游河床，需對橡膠壩進行消能防沖處理。

1 橡膠壩消能防沖設計

1.1 設計工況

橡膠壩在壩體溢流時水流流態復雜，工況多變，而且極易發生壩袋振動，直接影響到壩袋的安全運行[1]。因此，在進行消能防沖設計時，應結合橡膠壩的泄流運行規律，合理制定工況進行分析計算。本次設計擬選取以下3種典型工況計算橡膠壩過流能力，在此基礎上分析消能防沖設計[2]。

1）工況Ⅰ：當下泄流量較小，橡膠壩全部充起時，頂部類似實用堰。此時，上游水位為正常蓄水位加溢流水深；下游水位很淺甚至無水，按下游河床計算。

2）工況Ⅱ：隨著下泄流量逐漸增加，橡膠壩在塌落過程中，壩型類似于寬頂堰。此時，上游水位維持正常蓄水位不變；下游水深逐漸升高，下游水位為下泄相應流量對應的下游水位。

3）工況Ⅲ：當下泄流量較大時，橡膠壩全部塌落，袋面上全河道行洪，水流比較平穩，流速與原河床流速相近。此時，上游水位為下泄流量對應的下游水位加過閘水位差；下游水位為下泄相應流量對應的下游水位。

1.2 橡膠壩過流能力計算

橡膠壩的過流能力，按《橡膠壩工程技術規范》（GB/T50979-2014）附錄A進行計算。

式中：Q為過壩流量，m3/s；B為溢流斷面的平均寬度，m；H0為計入行近流速水頭的堰頂水頭，m；m為流量系數，壩袋完全塌平時，視作寬頂堰，流量系數取0.33～0.36，壩袋充脹時，視為曲線型實用堰，流量系數取0.36～0.45；ε為堰流側收縮系數；σ為淹沒系數。

1）壩頂溢流。橡膠壩全部充起時，壩型類似實用堰，壩頂泄流流量[3]計算見表1。根據《水工設計手冊》（第2版）第7卷，為避免壩頂溢流時壩袋振動影響壩的正常使用，壩頂溢流水深宜取0.2～0.5m，本次設計壩頂最大溢流水深取0.3m，對應泄流流量為113m3/s。

表1 橡膠壩壩頂溢流流量計算成果表

2）橡膠壩部分塌壩。為增加安全儲備，汛期橡膠壩應部分塌壩運行，壩型類似寬頂堰，橡膠壩過流能力見表2。結合橡膠壩的控制運行管理方式，本次設計汛期按塌壩1m運行，此時，橡膠壩泄流流量為498m3/s。

表2 橡膠壩部分塌壩計算成果表

3）壩袋全部塌落。當下泄流量較大，橡膠壩全部塌落時，橡膠壩過流能力按寬頂堰計算，計算結果見表3。

表3 橡膠壩全部塌落計算成果表

2 消力池設計

2.1 消力池計算

1）消力池深度

式中：d為消力池深度；σ0為水躍淹沒系數，取1.05；hc″為躍后水深，m；hc為收縮水深，m；α為水流動能校正系數，取1.0；q為單寬流量，m2/s；φ為流速系數；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；ΔZ為出池落差，m；hs′為出池河床水深，m。

2）消力池長度

式中：Lsj為消力池長度，m；Lj為水躍長度，m；Ls為消力池斜坡段投影長度，m；β為水躍長度校正系數，取0.7～0.8。

3）消力池底板厚度。消力池底板厚度一般可根據抗沖和抗浮的要求分別按經驗公式和理論公式計算確定，并取最大值。

抗沖計算公式為：

抗浮計算公式為：

式中：t為消力池底板始端厚度，m；ΔH′為壩泄水時的上下游水位差，m；k1為消力池底板計算系數，取0.15～0.20；k2為消力池底板安全系數，取1.1～1.3；U為作用在消力池底板底面的揚壓力，kPa；W為作用在消力池底板頂面的水重，kPa；Pm為作用在消力池底板上的脈動壓力，kPa；γb為消力池底板的飽和重度，kN/m3。

2.2 消力池計算成果

根據公式（2）～（9），得到不同下泄流量條件下的消力池尺寸，計算成果見表4。從表4可以看出，消力池池深計算工況以躍后水深與下游水深差（hc″-hs）最大為控制工況，隨著橡膠壩下泄流量的增加，消力池池深的計算結果呈現先增大后減少的趨勢，池深控制工況為壩頂溢流水深0.3m，下泄流量113m3/s，此時池深計算結果為0.72m；消力池池長計算工況以躍后水深最大為控制工況，此時橡膠壩下泄流量最大，為消力池運行中可能出現的最大流量3323m3/s，此時消力池水平池長計算結果為11.85m；由于消力池內設?100排水孔，大大降低了底板揚壓力，消力池底板厚度以抗沖工況控制，消力池底板厚度計算結果最大為0.48m。

表4 橡膠壩消力池計算成果表

根據表4計算結果并結合實際地形、地質條件，消力池池深設計取1.0m，池長取值12.0m，消力池底板厚度取0.8m。

3 海漫設計

根據水工模型試驗研究資料及工程實際經驗，若消力池設計得當，可消殺水流全部動能的40%～70%，但其剩余能量對池后河床還可能造成沖刷，且池后單寬流量和流速還比較大，分布也不很均勻，甚至水流紊動還比較嚴重，因此緊接消力池后還需設置海漫，用于保護消力池后的河床免遭水流沖刷。

海漫長度可按下式計算：

式中：LP為海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m3/s/m；KP為海漫長度計算系數。

經計算，橡膠壩下游海漫長度為24.74m，設計取值為25.0m。

4 防沖槽設計

下泄水流經過海漫后，河床流速分布雖接近正常分布狀態，但在海漫末端仍有沖刷現象，甚至危及消力池護坦的穩定性。因此，為保障充分的消能防沖效果，需對過壩水流繼續進行消能防沖處理，本次設計擬在海漫末端設置下游防沖槽。防沖槽尺寸根據河床沖刷深度確定，計算公式如下：

式中：dm為海漫末端河床沖刷深度，m；qm為海漫末端單寬流量，m3/s/m；[v0]為河床土質允許不沖流速，m；hm為海漫末端河床水深，m。

海漫末端的河床土質為礫質粗砂，水閘的單寬流量為10.93m3/s/m，經計算，海漫末端的計算沖刷深度為5.89m。

實際工程中，根據上式計算的沖刷深度往往偏大，本次設計基于以上理論計算結果，并參照實際工程經驗，擬定防沖槽頂寬8.0m，底寬3.0m，深2.5m，槽內拋填大塊亂石，頂部設0.5m厚的格賓網填亂石防護層。

5 結語

結合橡膠壩的控制運用方式，分析了建壩后各種工況下的橡膠壩過流能力，以不同工況下的過流流量為分界點，據此進行消力池的設計計算，并根據計算結果擬定消力池的結構。同時，為徹底消殺過池后的水流動能，避免其對河床產生有害的沖刷，設計中根據理論及實際工程經驗在消力池末端布置了一定長度的海漫和防沖槽，進一步確保了消能防沖的有效性。計算結果符合相關規范及工程實際，可為今后相關工程設計和施工提供理論依據及參考價值。