許有為，何鐵炎

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 工程概況

甘溪橋水閘位于瀘溪縣洗溪鎮(zhèn)甘溪橋村境內(nèi)，設(shè)計(jì)灌溉面積為2.3 萬畝、現(xiàn)總裝機(jī)容量為1.02 萬kW（原總裝機(jī)容量為8 200 kW），保護(hù)下游農(nóng)田12 萬畝、人口26 000 人，設(shè)計(jì)過閘流量為6 960 m3/s，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益的大型攔河水閘。

樞紐建筑物主要由泄洪閘、非溢流壩、發(fā)電廠房等組成，壩軸線全長(zhǎng)182.2 m。本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)洪水、消能防沖標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇（P=2%），校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇（P=0.5%）。正常蓄水位為127.20 m，設(shè)計(jì)洪水位為131.70 m，校核洪水位為134.20 m。

2 消能工現(xiàn)狀和存在的問題

溢流閘壩為低堰閘壩型，泄洪閘共8 孔，孔口為10 m×9 m（寬×高），設(shè)鋼質(zhì)弧形閘門。下游原狀為坎式消力池，坎高2.20 m，池長(zhǎng)26.85 m。由于泄流沖刷，消力坎已損毀，并在消力池中部及其下游形成一個(gè)深4 m、寬50 m、長(zhǎng)80 m 的沖刷坑。

閘壩下游巖體為白堊系泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖，抗風(fēng)化能力弱，且淺部存在一定厚度的強(qiáng)風(fēng)化巖體，抗沖流速為（4～5）m/s。

閘壩下游消力池左岸為30 m 長(zhǎng)的電站廠房側(cè)墻，側(cè)墻頂高程約135 m。閘壩下游右岸岸頂為公路，高程約134 m；消力池右岸為較陡的人工砌石邊坡，局部存在夾層。

3 消能工除險(xiǎn)加固方案的擬定

甘溪橋水閘的消力池需要拆除重建，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了坎式消力池+下挖式消力池（圖1）和一級(jí)下挖式消力池（圖2）兩種方案的比選。

圖1 兩級(jí)消能工剖視圖（采用方案）

圖2 一級(jí)消能工剖視圖（比選方案）

圖中 hc——收縮水深（m）；

hc″——躍后水深（m）；

hs——下游水深（m）；

T——池首總勢(shì)能（m）；

Δz——出池落差（m）；

d——消力池深度（m）；

c——消力池坎高（m）；

H10——坎頂全水頭（m）。

據(jù)計(jì)算，兩級(jí)消能方案投資1 337.99 萬，比一級(jí)消能方案投資高50.13 萬。但是，水閘下游左岸為電站廠房側(cè)墻，水閘下游右岸為漿砌石高邊坡?lián)鯄Γl下游基礎(chǔ)為巖基，巖基大開挖需要進(jìn)行爆破，容易破壞水閘原有建筑物的穩(wěn)定。兩級(jí)消能方案更契合現(xiàn)狀地形，一級(jí)采用坎式消力池，巖基開挖較少，施工對(duì)兩岸原有擋墻和上游閘室穩(wěn)定幾乎無影響，二級(jí)下挖式消力池利用原有的沖刷坑，巖基開挖也較小。綜合考慮后，最終采用造價(jià)略高、但安全性更好、施工更加便利的兩級(jí)消能方案。

4 消能工水力計(jì)算方法

4.1 是否需要設(shè)置消能工的判別

水閘上游總勢(shì)能T1=H0+α×V02/2 g，下游為天然河床時(shí)，對(duì)水閘開啟1～n 孔的各種運(yùn)行工況進(jìn)行水力計(jì)算，當(dāng)m-1 孔全開（m＜n）時(shí)，hc1″＞hs（下游為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍），且m 孔全開時(shí)，hc1″＜hs（下游為淹沒式水躍），則判定水閘至少需設(shè)置m 孔消力池。

4.2 一級(jí)坎式消力池水力計(jì)算參數(shù)的選定

水閘上游總勢(shì)能T1=H0+α×V02/2 g，下游為天然河床，設(shè)置不同的閘門開啟孔數(shù)和開啟高度，算出相應(yīng)的下泄流量，查下游天然河道水位-流量關(guān)系曲線得出不同下泄流量對(duì)應(yīng)的下游水位。然后根據(jù)相關(guān)公式求解出不同工況所需的池長(zhǎng)和坎高，取最大池長(zhǎng)和最大坎高組合得出初擬的一級(jí)消力池的池長(zhǎng)L1和坎高c1。

4.3 坎后是否需要設(shè)置第二級(jí)消力池的判別

坎式消力池后接天然河床時(shí)，仍須復(fù)核坎后的水流流態(tài)。對(duì)照?qǐng)D1，可將消能坎當(dāng)作溢流堰，按堰流公式計(jì)算出坎頂全水頭H10，坎后余能E1=c+H10+（114.5-113.5），然后依照4.1 節(jié)的判別方法，判定坎后是否需要加設(shè)第二級(jí)消力池。

4.4 第二級(jí)消力池水力計(jì)算參數(shù)的選定

在坎式消力池后，第二級(jí)消力池選擇下挖式消力池，池首總勢(shì)能T2=c1+H10+d1，然后根據(jù)相關(guān)公式求解出不同工況下二級(jí)消力池所需的池長(zhǎng)和池深，取最大池長(zhǎng)和最大池深組合得出初擬的二級(jí)消力池的池長(zhǎng)L2和池深d1。

4.5 復(fù)核修正消力池尺寸直至計(jì)算閉合

初步擬定第二級(jí)消力池的池深d1后，一級(jí)坎式消力池后銜接的不再是天然河床，須求解出新的坎上水位-流量關(guān)系曲線，根據(jù)新的坎上水位復(fù)核并修正一級(jí)坎式消力池的坎高為c2。將c2代入二級(jí)消力池計(jì)算，此時(shí)池首總勢(shì)能T3=c2+H10+d2，計(jì)算出二級(jí)消力池新的池長(zhǎng)L3和池深d2。再次求解坎上水位-流量關(guān)系曲線，之后計(jì)算步驟同上，不斷復(fù)核修正消力池的尺寸，直至兩級(jí)消力池的池長(zhǎng)、坎高、池深計(jì)算閉合，最終確定兩級(jí)消力池的尺寸。

4.6 主要采用的公式

相關(guān)水力計(jì)算公式詳見《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）和《水力計(jì)算手冊(cè)第二版》，在此不再贅述。

5 甘溪橋水閘除險(xiǎn)加固工程的消能工水力計(jì)算

5.1 判別需要設(shè)置幾孔消力池

對(duì)泄洪閘閘門1 孔全開至8 孔全開的運(yùn)行工況進(jìn)行水力計(jì)算（按最不利邊界：水流未考慮橫向擴(kuò)散），計(jì)算成果見表1。從表1 可知，5 孔全開后，繼續(xù)開啟其余閘門，躍后水深hc″均小于下游水深hs，下游形成淹沒式水躍，因此，判定本閘至少需設(shè)置5 孔消力池?？紤]到水閘下泄水流的流態(tài)較為復(fù)雜，結(jié)合工程現(xiàn)狀和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，最終決定設(shè)置8 孔消力池。

表1 水閘泄洪下游流態(tài)計(jì)算成果表

對(duì)泄洪閘閘門1 孔單開至8 孔全開的各種運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算（按最不利邊界：水流未考慮橫向擴(kuò)散），坎式消力池的計(jì)算成果為：坎高最大計(jì)算值為2.70 m（4 孔閘門同時(shí)開啟2 m 高度），池長(zhǎng)最大計(jì)算值為26.59 m（5 孔閘門同時(shí)開啟4 m 高度）。根據(jù)計(jì)算成果，初步擬定一級(jí)消力池尺寸：坎高2.70 m，池長(zhǎng)27 m。

5.2 判別是否需要設(shè)置第二級(jí)消力池

設(shè)置坎式消力池后，仍須復(fù)核坎后有無設(shè)置第二級(jí)消力池的必要性。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 坎后流態(tài)復(fù)核結(jié)果表

據(jù)計(jì)算，閘門開啟孔數(shù)不大于4 孔時(shí)，存在消力坎后的躍后水深hc″大于下游水深hs的工況，即坎后水流流態(tài)為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，坎后余能仍然較大，由此判定設(shè)置第二級(jí)消力池是必要的。結(jié)合工程現(xiàn)狀和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，最終決定設(shè)置8 孔二級(jí)消力池。

5.3 兩級(jí)消力池復(fù)核計(jì)算

根據(jù)計(jì)算成果，一級(jí)消力池尺寸為：坎高2.7 m，池長(zhǎng)27 m。為保護(hù)水閘下游兩岸的建筑物，調(diào)整一級(jí)消力池尺寸為：坎高2.7 m，池長(zhǎng)33 m。在此一級(jí)坎式消力池的基礎(chǔ)上，對(duì)各種運(yùn)行工況進(jìn)行水力計(jì)算，二級(jí)下挖式消力池的計(jì)算成果為：池深計(jì)算值最大為2.13 m（2孔閘門同時(shí)開啟9 m 高度），池長(zhǎng)計(jì)算值最大為35.09 m（2 孔閘門同時(shí)開啟9 m 高度）。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約投資，可通過閘門調(diào)度以避開部分不利工況，達(dá)到減小二級(jí)消力池池深與池長(zhǎng)的目的。擬定的調(diào)度方案如下：開閘泄洪時(shí)，首先將4、5 號(hào)孔同步開啟，當(dāng)4、5號(hào)孔閘門開度達(dá)到3 m 后，將3、6 號(hào)孔同步開啟，將3、4、5、6 號(hào)孔閘門開度達(dá)到3 m 后，繼續(xù)開啟3、4、5、6號(hào)孔閘門至全開，再將2、7 號(hào)孔閘門同步開啟至全開，最后將1、8 號(hào)孔閘門同步開啟至全開。在此調(diào)度方案下，二級(jí)下挖式消力池計(jì)算成果為：池深最大計(jì)算值為1.90 m，池長(zhǎng)最大計(jì)算值為27.04 m（2 孔閘門同時(shí)開啟3 m 高度）。根據(jù)計(jì)算成果，初步擬定二級(jí)下挖式消力池的池深為1.90 m，池長(zhǎng)為27 m。

擬定第二級(jí)消力池的池深1.90 m 后，根據(jù)坎后新的下游水位-流量關(guān)系曲線，對(duì)一級(jí)坎式消力池的坎高進(jìn)行復(fù)核并修正。根據(jù)反復(fù)核算，最終確定兩級(jí)消力池的尺寸為：一級(jí)坎式消力池的坎高為2.2 m，池長(zhǎng)為33 m（為保護(hù)水閘下游兩岸的原有建筑物而延長(zhǎng)）；二級(jí)下挖式消力池的池深為1.7 m，池長(zhǎng)為25.5 m。

6 結(jié) 語

消能工采用坎式消力池時(shí)，必須判別坎后的水流流態(tài)，若坎后仍出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，則需要修建第二級(jí)消力池。本文就坎式消力池在甘溪橋水閘除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用和水力計(jì)算進(jìn)行了總結(jié)，可供類似工程參考。