林建洪

（福建省九龍江北溪管理局，福建龍海 363107）

1 概述

北溪水閘樞紐位于九龍江北溪下游郭洲頭，由南、北港攔河閘，南、北港船閘和中干渠進水閘、節(jié)制閘組成，工程原設計為3級建筑物，于1980年建成投入運行。水閘樞紐下游為感潮河段，閘基地層為濱海相和河流交錯沉積的地層結(jié)構(gòu)，從閘室底板自上而下分布有厚度不均的中粗砂、蠣殼雜淤泥、淤泥質(zhì)砂、蠣殼雜淤泥質(zhì)砂、軟粘土、砂壤土雜卵石等地層。工程采用井柱樁或連續(xù)底板基礎。1999年水閘進行安全檢測與評估，評定為3類工程，需經(jīng)全面除險加固才能正常使用。檢測結(jié)果認為：北溪水閘消能防沖設施雖然經(jīng)過多次加固處理，但閘下最低水位已由建閘時-0.24 m降至-1.59 m，并有繼續(xù)下降趨勢，消能防沖設施未能充分發(fā)揮作用，出現(xiàn)不同程度沖刷破壞。水力學復核計算及水工模型試驗均表明，下游水位降低后，出池水流與海漫水流不能良好銜接，水流在海漫和防沖槽段發(fā)生二次水躍，造成海漫、防沖槽及下游河床沖刷。此外，消力池池深也略顯不足、護坦板厚度不夠且材料整體性差，消能防沖設施難以滿足要求。

2 消能防沖設施復核

由于下游水位降低，使原有的設計條件發(fā)生了改變，現(xiàn)采用理論方法復核原消能防沖設施的結(jié)構(gòu)尺寸是否滿足各運行工況要求（本文僅以南港水閘為例）。

2.1 計算公式

2.1.1 消力池計算

1）消力池深度計算：

式中：d——消力池深度，m；σ0——水躍淹沒系數(shù)，采用1.05；hc″——躍后水深，m；hc——收縮水深，m；α——水流動能校正系數(shù)，采用1.05；q——過閘單寬流量，m3/(s·m)；b1——消力池首端寬度，m；b2——消力池末端寬度，m；T0——由消力池底板頂面算起的總勢能，m；△Z——出池落差，m；hs′——出池河床深度，m。

2）消力池長度計算：

式中：Lsj——消力池長度，m；Ls——消力池斜段水平投影長度，m；β——水躍長度校正系數(shù)，采用0.8；Lj——水躍長度，m。

3）消力池底板厚度計算：抗沖厚度：

抗浮厚度：

式中：t——消力池底板始端厚度，m；△H′——閘孔泄水時的上下游水位差，m；k1——消力池底板計算系數(shù)，采用0.20；k2——消力池底板安全系數(shù)，采用1.1；U——作用在消力池底板底面的揚壓力,kPa；W——作用在消力池底板頂面的水重，kPa；Pm——作用在消力池底板上的脈動壓力，kPa；rb——消力池底板的飽和重度，kN/m3。

消力池末端厚度，可采用t/2，但不宜小于0.5 m。

2.1.2 海漫長度計算

式中：dm——海漫末端河床沖刷深度，m；qm——海漫末端單寬流量，m2/s；[v0]——河床土質(zhì)允許不沖流速，m/s，采用[v0]=0.5～0.7 m/s；hm——海漫末端河床水深，m。

2.2 復核計算條件

考慮閘下低潮水位泄流情況，分別選用正常蓄水位（閘門不同開啟度）、設計洪水位、校核洪水位等工況進行復核。

對于上游正常蓄水位運行情況，下游水位采用前一級開度泄流量的下游水位，求出躍后水深與下游水深之差值最大時所對應的閘門開度作為控制工況，經(jīng)計算取閘門開啟度0.2時作為控制工況計算。南、港閘消能防沖復核計算工況見表1。

表1南港閘消能防沖復核計算工況表(受下游最低潮水位影響)

式中：LP——海漫長度，m；qs——消力池末端單寬流量，m2/s；ks——海漫長度計算系數(shù)，采用ks=10。

2.1.3 河床沖刷深度計算

計算工況 泄流方式上游水位/m下游水位/m單寬流量/m3·（s·m)-1 出流型式正常蓄水位1 先啟孔(5～11號)初始泄流，開啟高度0.2 m 4.80 -1.59 1.33 閘孔自由出流正常蓄水位2 先啟孔全開下游水位穩(wěn)定后，后啟孔開啟0.2 m 4.80 -0.94 1.33 閘孔自由出流設計洪水位 閘門全開 7.58 7.36 30.90 堰頂溢流校核洪水位 閘門全開 8.24 7.93 38.10 堰頂溢流

2.3 復核成果及結(jié)論

復核計算成果（見表2）表明：

1）上游為正常蓄水位4.8 m，閘門小開度情況下，海漫實際長度能滿足計算要求，但消力池深有所不足，水流在池后發(fā)生遠驅(qū)水躍；當上游出現(xiàn)設計洪水，閘門全開時，南、北港閘消能防沖設施規(guī)模略顯不足；原消力池底板采用漿砌石，無排水設施，其抗浮厚度不夠。

經(jīng)分析，原有消力池破壞可能是由于消力池底板抗浮穩(wěn)定不滿足要求，加之防滲設施失效，底板與閘基土之間受滲流作用可能出現(xiàn)接觸沖刷，從而導致基土流失，底板出現(xiàn)塌陷而損壞。此外，護坦板的破壞可能還與其采用材料整體性較差有關(guān)。

2）下游海漫及防沖槽破壞可能是由于閘下河床下切，閘下水位下降，使消力池后出現(xiàn)急流流態(tài)或遠驅(qū)水躍，造成海漫、防沖槽與閘下河床受水流沖刷破壞；此外，由于閘下河床下切，防沖槽后河床水深大于海漫水深，當海漫出現(xiàn)急流，而下游河床出現(xiàn)緩流時，在防沖槽附近發(fā)生二次水躍，導致防沖槽及下游河床損壞。

根據(jù)復核成果及上述分析，原消能防沖設施難以滿足現(xiàn)有水位條件要求，消能效果不能充分發(fā)揮，需對消能防沖設施進行全面加固。

3 消能防沖設施加固方案

3.1 加固設計原則

1）基本維持原閘室調(diào)度順序，即：閘門盡量保持分級、同高啟閉，從中間孔至兩側(cè)閘孔依次對稱開啟，由兩側(cè)閘孔向中間依次對稱關(guān)閉閘門；閘孔運用順序為南港先啟孔、北港先啟孔、南港后啟孔、北港后啟孔，在全部閘門未處于同一級開度時，不得再提高一級閘門開度。

2）消能設施在各種的水力條件下，都能滿足消散動能與均勻擴散水流的要求，且盡可能與下游河道良好銜接。

3）保證加固的技術(shù)可靠、方案可行、投資節(jié)省、運行管理靈活，同時消能防沖設施的加固不應對閘室穩(wěn)定造成危害。

3.2 消能防沖設計方法

設計采用水力學計算與水工模型試驗相結(jié)合的方法，其中水力學計算公式采用SL265-2001《水閘設計規(guī)范》(附錄B)中規(guī)定進行。

影響消力池水力條件的因素很多，情況比較復雜。一般來說，控制消力池的主要影響因素有水閘的上下游水位差、過閘單寬流量、下游水深、閘門開啟程序、開啟孔數(shù)、開啟高度等。此次消力池設計中依次考慮了設計選用的上、下水位，過閘單寬流量，閘門的初始開啟高度、開啟孔數(shù)以及開啟級差等各種水力條件，從中找出控制消力池池深、池長、底板厚度的最不利的水位組合進行計算。

表2 南港閘消能防沖復核計算成果表

3.3 消能防沖設計水位及流量

1）正常蓄水位情況：上游水位4.8 m；由于閘下水位受下游潮位影響，為變動水位，因此計算時主要考慮閘下低潮水位泄流情況。

2）設計洪水位情況：上游水位7.58 m；下游水位7.36，Q=10 300 m3/s。

3）校核洪水位情況：上游水位8.24 m；下游水位7.93，Q=12 700 m3/s。

3.4 南港閘消能防沖設施加固研究

3.4.1 閘門開啟方式擬定

1）閘門初始開啟高度選擇

采用上、下游水位差最大(上游正常蓄水位4.80 m，下游最低水位-1.59 m)開閘泄水的工況作為計算工況。初擬閘門初始開度為0.2，0.3，0.4 m，單寬流量按瞬時流量計算。計算成果表明，隨著閘門初始開度的增大，泄量增大，所需消力池池深及池長也隨之增加。而消力池底板高程降低將導致消力池中流速、脈動壓力及底板揚壓力增大，消力池工程量的增加；此外，消力池與閘底板高差過大，很可能對閘室穩(wěn)定造成不利影響。因此本階段擬定初始開度為0.2 m。

2）先、后啟孔孔數(shù)及閘門開啟級差的確定

消力池先啟孔孔數(shù)對后啟孔池深有一定影響，先啟孔孔數(shù)過少，會造成后啟孔池深增加，先后啟孔消力池底高程間差異不大；先啟孔孔數(shù)過多，會增加工程量。經(jīng)試算，從工程量及水位銜接等方面綜合考慮，仍維持原先啟孔數(shù)7孔不變。

閘門開啟級差對消力池設計也有一定影響，開啟級差過大，會增加消能工工程量；級差過小，又使運行管理復雜。由于下游水位較低，在閘門小開度情況下，消力池運行條件較差。初步確定當閘門開啟度大于1.0 m時，閘門開啟級差為0.5 m；著重研究閘門小開度時的開度級，對每級提升高度0.2，0.3，0.4，0.5 m等4種開啟級差方式分別進行計算，下游水位采用前一級開度泄流量的下游水位，單寬流量按瞬時流量計算。后啟孔在先啟孔保持一定的泄流量，閘下形成一定的水位后再啟用。

計算成果表明：閘門小開度時，開度級差若大于0.5 m，則消力池池深須增大，消力池底板厚度須加厚，既增加了工程量，又不利于消力池及閘室穩(wěn)定。因此閘門在小開度時，開啟級差不宜大于0.4 m，消力池的尺寸按此開啟方式進行設計。閘門最終開啟方式須根據(jù)水工整體模型試驗及閘門試運行情況，在滿足消能前提下選定，使閘門的啟閉操縱更加靈活方便。

3.4.2 消力池加固方案

1）布置方案比較

計算分析表明：上游正常蓄水位、下游最低潮水位時，水閘小流量初始泄流（開啟度e=0.2 m）時，躍后水深與下游水深之差最大，以此情況為消力池深度的控制工況。在閘門開啟高度由2.0 m開啟至2.5 m的瞬時，躍后水深與躍前水深之差有最大值，以此情況作為消力池長度的控制工況，但是，此工況下水躍淹沒度較大，所需消力池長度較計算長度短。

消力池加固分別初步考慮了以下兩個方案。

方案一(一級池)：根據(jù)計算，在控制工況條件下，先、后啟孔消力池底頂高程分別為-3.65，-3.20 m，先、后啟孔消力池長度分別為28.5，25.6 m。為使消力池具有較強的適應性，結(jié)合模型試驗情況，設計中先后啟孔消力池池深分別選用-4.0，-3.5 m，較計算值略深。具體布置方案如下：

拆除原濾滲板及消力池，采用混凝土結(jié)構(gòu)加固。重建后的消力池采用一級池布置方案，其結(jié)構(gòu)型式、運行方式和孔數(shù)基本同原消力池。消力池先、后啟孔消力池全長分別為36.0，31.0 m，分斜坡段和水平段兩部分，先啟孔(原5—11號)水平段頂高程降低為-4.0 m；后啟孔水平段頂高程降至-3.5 m。先啟孔消力池內(nèi)設置了一道高約1.3 m的消力檻。消力池水平段與閘底板間采用1∶4斜坡段相連。先、后啟孔消力池用隔墻隔開以消除回流影響，隔墻頂高程-1.0 m。

方案二(二級池)：將方案一中先啟孔采用二級消力池型式。第一級消力池長23.0 m，底部頂高程-3.5 m，消力池由斜坡段和水平段二部分組成，斜坡段自閘室底板用1∶4的坡度降至消力池底部高程，水平段長15.0 m，池后尾檻頂高程-2.0 m；第二級消力池長22.5 m，底部頂高程-4.5 m，兩級消力池間采用1∶4的斜坡相連。重建后的后啟孔消力池結(jié)構(gòu)同方案一。先、后啟孔消力池用隔墻隔開以消除回流影響，隔墻頂高程-1.0 m。

兩方案在理論上均能滿足在池內(nèi)發(fā)生淹沒水躍，及出池水流與下游水位的良好銜接。且經(jīng)水工模型試驗驗證，在小流量初始泄流時屬于弱水躍消能，兩方案消能率相差不大，池后流速屬同一量級，從消能方面而言兩方案差別不大。根據(jù)《水閘設計規(guī)范》建議及其他工程經(jīng)驗，在池中加設消力檻，有助于增加消能率，調(diào)整流態(tài)，模型試驗對此進行了驗證，因此從改善流態(tài)的角度，兩方案也基本相同。但就施工難易程度及工程量而言，方案二大于方案一。綜上所述，采用方案一、即一級池為推薦方案。

2）消力池護坦板結(jié)構(gòu)設計

①消力池底板厚度確定

本閘室消力池底板厚度由抗浮和抗沖穩(wěn)定兩方面確定?？箾_厚度由上下游水位差和單寬流量確定。經(jīng)計算，抗沖厚度受校核洪水位情況控制，需0.78 m。而抗浮厚度由下游水位、閘門泄流方式及底板深度確定,當下泄水流自由出流，且下游水深與消力池收縮水深差值最大時，底板所需抗浮厚度最大。經(jīng)試算，當正常蓄水位，閘門開啟0.4 m時為底板抗浮穩(wěn)定控制工況。由于先后啟孔池深相差不大，本階段僅選用先啟孔底板分為兩段進行計算。若底板揚壓力全計，南港消力池底板始段計算厚度大，考慮底板設置排水孔，參照溢洪道現(xiàn)行設計規(guī)范中有關(guān)規(guī)定，可將底板揚壓力折減20%，護坦板前段按抗浮計算厚度取值，采用1.3 m厚；后段按抗沖厚度及規(guī)范規(guī)定取值，采用0.80 m厚。

②消力池底板強度計算及構(gòu)造要求

經(jīng)計算，在各種工況下，加固后的護坦板底板結(jié)構(gòu)滿足強度和裂縫要求。

消力池底板采取如下構(gòu)造措施：消力池底板內(nèi)增設排水孔，其下設反濾層，以穩(wěn)定消力池底板下砂層；消力池護坦板與閘室底板以及護坦板之間設止水。

3.4.3 海漫及防沖槽加固方案

選用設計和校核洪水位計算海漫長度以及下游河床沖刷深度。計算成果表明，海漫及防沖槽尺寸受校核工況控制。根據(jù)計算，海漫及防沖槽采用如下加固方案：先、后啟孔海漫分別加長至43.0，48.0 m，由兩段組成：前段為水平段，采用漿砌條石海漫，頂高程降低至-3.0 m；后24.0 m為斜坡段，自漿砌條石海漫頂高程接至防沖槽頂高程，斜坡段采用干砌條石，其下鋪設土工布。防沖槽頂高程-4.0 m，根據(jù)下游河床沖坑最深時，塊石可能坍塌時所需數(shù)量，確定防沖槽長21.0 m，深2.5 m。

4 結(jié)語

1）經(jīng)過南港閘近幾年的運行，未發(fā)現(xiàn)任何問題，初步證明通過上述對水閘消能防沖設施的研究，并針對研究的結(jié)論采用的除險加固措施是成功的。

2）對于下游水位受潮夕影響的消能設施，采用一級消力池不僅可滿足消能效果，且可保證消能設施的整體性，確保消力池安全。