新安江横江闸坝消能设计与分析

林潇

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

1 项目概况

横江闸坝是黄山市依托新安江优越的山水风景和灿烂的历史文化，构筑一个开放型综合滨江公共景观工程的重要组成部份。工程位于黄山市屯溪区上游的横江河段，北起梅林桥南至镇海桥，全长约6.14 km,与已经竣工的下游段综合开发工程相接。项目的主要功能为壅高水位，保持水面，维养湿地景观并承担防洪任务。

2 横江闸坝布置

根据整治河段的坡降、长度及河道两岸低洼地较多的现状，为减少汛期紧急泄洪时对下游河道的冲刷，避免对下游堤岸、镇海桥造成安全隐患及减少堤内低洼地区的排水量，采用2级壅水方案，即梅林坝与横江坝。两壅水坝相距约2.8 km，两坝之间的水位差为3.0 m。考虑梅林及新潭溪湿地高程在128 m以下的面积约占31.4%，高程在128 m以上的部分约占68.6%，水域与滩涂面积比例较为合理，适宜形成较好的湿地景观。确定上游的梅林坝壅水水位为128 m，横江坝壅水水位为125 m。

横江闸坝为单一型式壅水建筑物，建筑物在垂直河流方向一字形布置。左岸与华山路相接，右岸与堤顶防汛道路相接，构筑两岸交通体系。过水净宽考虑与规划河道宽度相匹配，不过多束窄河道影响行洪以及增加翼墙等连接段的工程量，同时便于与两岸建筑物布置协调。

横江坝泄流总净宽为120 m，共3孔，单孔净宽40 m，中墩两个，各厚8 m。采用底轴驱动翻板闸门挡水，液压启闭机操作。闸坝处河床高程121.5 m，闸底槛高程为122.0 m，挡水高程为125 m。闸坝上游设置护坦段，下游设置消力池和海漫段。上下游两岸翼墙八字形扩散布置，与两岸大堤及护岸平顺衔接。

3 消能防冲设计分析

3.1 自然条件

工程区多年平均气温16℃，夏季极端最高气温41.3℃，冬季极端最低气温-13.5℃。多年平均降水量为1 670 mm。由于新安江流域特殊的“黄山地形”，降水强度大，雨量集中，多导致暴雨洪水。该区每年4—5月份就有洪水发生，但峰量均不大；6—7月份为洪水的主要季节，洪水具有涨得快、落得快、历时短，流速大、冲刷力大、破坏力大的特点。新安江干流屯溪段河道多年平均含沙量仅0.1 kg/m3，多年平均输沙率0.17 kg/s，洪水期最大含沙量为1.45 kg/m3，属少沙河流。

工程区抗震设防烈度小于Ⅵ度，为抗震不设防区，地震动峰值加速度小于0.05 g。坝址地层依次为厚1~3 m的砂卵石、6~9 m厚的强风化基岩，其下为弱风化岩体。

3.2 工程标准

该河段防洪标准采用50年一遇，横江坝址处50年一遇设计洪峰流量为3 593.3 m3/s，10年一遇设计洪峰流量为2 409.7 m3/s，5年一遇设计洪峰流量为1 912.7 m3/s。横江闸坝工程等别为Ⅱ等，主要水工建筑物级别为2级。横江坝工程采用坝顶溢流方式，设计坝顶溢流水深0.50 m。

3.3 设计工况分析

1）工况一：河道来水流量大于700 m3/s以上时，壅水坝上游河道水深满足125 m水位的要求，闸门全部卧倒，类似宽顶堰泄流状态。来水流量大于700 m3/s、但小于50年洪水3 593.3 m3/s流量时，上下游水位差在0.1～0.5 m之间的过渡状态，不是控制工况。发生50年一遇设计洪水3 593.3 m3/s流量时，上下游水位差最大，相差0.5 m。此工况应是闸门卧倒运行时设计工况。下游水深远大于跃后水深，属于淹没水跃，

2）工况二：正常蓄水溢流情况，正常蓄水时设计闸顶溢流水深不大于0.5 m，闸下游最高计算水位应为堰顶溢流深为0.5 m时的下泄流量所对应的水位。

3）工况三：正常蓄水至125 m，堰顶溢流深度为0 m，下游水位为最低枯水位，闸门快速卧倒泄流。此时明渠水流由缓流过渡到急流，即自高水位向低水位过渡时，水深沿流急剧降低，流线急剧变曲，水面突然跌落，此工况为特殊运行工况，应该为控制工况。

3.4 分析计算

针对3种工况分别计算消力池深、池长、消力池底板厚、海漫长及冲刷坑深。工况一、二均为常规水力计算方法，工况三与跌水类似，采用相应水力计算方法。具体计算结果见表1。

表1 横江钢坝消能计算成果表

3.5 消能工尺寸确定

上游护坦段长20 m，采用钢筋混凝土结构，高程为121.60 m。下游消力池段长30 m，消力池采用钢筋混凝土挖深式扩散消力池，池深3.0 m，池底高程118.50 m，尾坎高程121.50 m。在底板底部设置长3 m、间排距2 m的Φ25锚杆。下游海漫段长50 m，采用素混凝土结构护底，海漫首端高程为121.50 m，海漫末端高程为121.00 m，海漫末端设置素混凝土防冲墙结构。

4 问题讨论

1）消能工尺寸的确定：根据消能计算成果分析，当发生50年设计洪水流量时，消力池深度为负值，即不需挖深消力池，但池长仍未最大，所以池长按满足此工况要求的27.2 m确定，实际设计采用30 m。池深、护坦末端防护按下游为最枯水位122 m、上游水位为125 m、快速闸门完全开启时要求的深度2.66 m确定，实际设计采用池深为3.0 m，护坦末端设置防冲墙。

2）河道冲刷：常遇洪水过坝平均流速约2.3 m/s，河道平均流速约1.7 m/s，小于河床的允许不冲流速（砾石、砂岩河床为2.5 m/s，砌石护岸为4.0 m/s）。设计标准50年一遇洪水过闸平均流速约3.51 m/s，海曼末端平均流速约2.6 m/s，略大于河床的允许不冲流速，海曼末端已采取工程措施，设有素混凝土防冲墙，工程自身安全没有问题，但河床会产生少量的冲刷，随着细颗粒的流失，河床抗冲能力会逐渐提高到稳定状态。且该段河道覆盖层较薄，仅为1~3 m，其下为岩石，不存在严重冲刷下切的问题。

3）该工程属于典型的低坝工程，具有水头低、下泄水流单宽流量较大。此项目在5年以上设计洪水是佛汝德数介于1.7与2.5之间，为弱水跃消能效率小于20%、闸门在下游最低水位迅速全开的工况下佛汝德数小于1.7，为波状水跃，消能效率更低。该问题已成为水利水电工程尤其是中小型工程中亟待解决的重要课题。该类水跃水流的能量多在表层，消能工无法充分发挥效率，能量下移，极易造成对下游河床及堤岸的冲刷破坏。随着国内外对低佛氏数水跃的研究，人们对低佛氏数跃后的破坏有了新的认识，这也是当前国内外专家学者关注的问题之一。

此次设计综合分析研究了传统底流式消能工、综合底流式消能工、辅助消能工与传统底流消能工相结合、护坦式消能工以及一些新型综合消能工等多种消能形式，以便找到适合于该工程，能较合理地解决低佛氏数水跃消能的方法，从而达到减小工程量、减轻下游河道冲刷之目的。设计选用的两种消能工为：加设消力墩、差动式尾坎的消力池或T型墩消力池，并提出进行水工模型试验，再根据试验情况最后择优确定。

［1］花立峰.辅助消能工的水力特性及在闸下低佛氏数水跃消能中的应用［J］.水利水电工程设计，2009，28（1）.

［2］李炜.水力计算手册（第二版）［M］.北京：水利水电出版社，2006.

［3］郭子中.消能防冲原理与水力设计［M］.北京：科学出版社，1982.