两级消力池在废黄河分洪道工程中的应用

唐 波佘 磊叶 露

江苏省宿迁市境内古黄河分洪道承担的任务是洪水期将地势较高的古黄河流域洪水分泄到相对低洼的平原河道内，进而流入洪泽湖中。洪水下泄时因地势存在跌差，水流落差大、泄洪流量大、土质抗冲性差等特点，对水位衔接建筑物提出了更高的要求。此时，在衔接建筑物中设置两级消力池可以很好地引导水流、适应地形，同时改善下泄水流冲刷河道的问题。而两级消力池的计算方法却很少在公开文献上有记载。本文结合宿迁市五河分洪道中的落差建筑物五河跌水设计，介绍两级消力池的布置和水力计算，以期为同类工程设计提供参考。

一、工程概况

该工程位于宿迁市宿城区仓集镇境内，五河分洪道穿越老黄河大堤节点处。该节点上游地面平均高程22.0m（废黄河高程系，下同），下游17.5m，高差达4.5m，设计水位差4.24m，为保障泄洪水流流态稳定，衔接顺畅，拟在该处新建衔接建筑物。另外节点上游河道有生态蓄水要求，要求该建筑物具有蓄水功能。

根据规划，五河跌水规划正常蓄水位为18.55m，相应下游水位为13.50m；10年一遇分洪设计流量为112m3/s，20年一遇行洪校核流量为113m3/s，对应的水位分别为19.74m、19.75m。

二、消能方案选择

根据地形、地质条件，选择两种消能工况形式进行比较，分述如下：

1.三级跌水消能

该方案由控制段及消能段两部分组成，控制段采用等宽薄壁堰，消能采用三级跌水结构。薄壁堰为1孔，总宽为30m，堰高2.7m，堰顶高程18.55m，堰底高程同河底高程为15.85m。薄壁堰后接第一级跌水，跌差2.3m，跌水消力池长11.6m，后接尾坎高0.8m，尾坎宽2.6m；第二级跌水跌差为2.3m，消力池长13.1m，后接尾坎高0.9m，尾坎宽2.7m；第三级跌水跌差2.58m，后接挖深式消力池，池深50cm。第三级跌水后接25m长海漫，海漫后接抛石防冲槽。结构见图1（图中尺寸标注单位为mm，高程单位为m，下同）。

2.两级连续消力池消能

该方案由控制段和下游连接段组成。控制段采用WES实用堰控制水流，堰宽36.90m，堰顶高程为18.55m，底板采用空箱式底板，底板顶高程为15.85m，底板底高程为13.05m，空箱高度为1.50m。控制段顺水流向长13.00m，垂直水流向宽38.50m。下游连接段设消力池、海漫和防冲槽。消力池为两级连续式消力池。第一级消力池长12.00m，池顶高程为13.85m，末端坎顶高程为14.85m，坎顶宽4.00m；第二级消力池长30.00m，其中斜坡段坡比为1∶4，长15.00m，池顶高程为11.10m，末端坎顶高程为12.10m。消力池末端设置海漫，海漫为平底坡，海漫首部设消力坎，海漫末端设置防冲槽，结构见图2。

3.两方案对比

图1 方案1结构示意图

从工程经济性角度分析，方案1使用混凝土量和钢筋量略少，经济性占优；从工程结构性角度分析，方案2流态更平稳，构筑物之间衔接紧密顺畅，方案2略优；工程施工角度，方案1二三级跌水施工开挖时，对相邻构筑物基础影响较大，地基处理难度大，防渗范围内止水处理难度大、维修困难。综上所述，该工程使用方案2。

三、两级消力池设计

1.设计步骤

首先是确定消能工况的水位、流量等设计参数。其次是按单级下挖式消力池，计算消力池深度。再次是根据地形地貌，初步拟定第一级消力池深度。第四步，根据水力计算公式计算消力池各部位尺寸。

2.水力计算

（1）确定消能设计工况

该工程控制段为WES实用堰，经计算，当泄流量为分洪最大流量时，对应下游河道常水位作为消能最不利工况。WES实用堰过流量计算公式如下：

v0—行近流速，0.78m/s；

m—自由溢流的流量系数，取0.51；

σc—侧收缩系数，取1.0；

σs—淹没系数，取1.0；

B—实用堰宽度，m；

Q—过流量，m3/s。

经计算，消能工况时，实用堰过流量为114m3/s，单宽流量为3.09m3/s。

（2）单级消力池深度计算

若设置单级下挖式消力池，按下述公式计算确定：

式中：d—消力池深度，m；

hc—收缩水深，m；

hc"—跃后水深，m

α—水流动能校正系数，可采用 1.0～1.05；

q—过闸单宽流量；

b1—消力池首端宽度，m；

b2—消力池末端宽度，m；

T0—消力池底板顶面算起的总势能，m；

ΔZ—出池落差，m；

hs'—出池河床水深，m。

经计算，若设置单级下挖式消力池，池深为5.15m，当计算消力池深度超过3.0m时，如采用一级消能，消力池的工作条件十分恶劣，不仅消力池中的流速和脉动压力显著增大，而且消力池池底扬压力也很大，消力池的稳定性问题需慎重对待，处理不好甚至会影响闸室和边墙地基的稳定。为此该工程堰下采用二级消能方案，第一级消力池底高程根据地形拟定为13.85m。第一级消力池采用消能坎式，第二级为下挖式消力池。

（3）第一级消力池水力计算

第一级消力池计算主要确定第一级消力池长度、尾端消力坎的高度和消力坎顶宽。计算原理是在消力池内水流形成淹没式水跃。为此首先确定消力池末端下游水深，即确定消力坎顶的水头；在同样的水跃条件下，消力坎顶的水头越高越容易形成淹没水跃，因此消力坎断面型式要求在过流量相同的情况下，可以有最大的雍水高度，即选择消力坎坎顶堰流的流量系数最小的堰型，作为消力坎的断面型式，根据计算手册流量系数最小的堰型为宽顶堰，因此确定消力坎堰顶的堰型为宽顶堰。根据宽顶堰的过流公式及堰型确定条件计算堰顶水头及堰顶宽度。计算公式如下：

图2 方案2结构示意图

式中：b—消能坎的宽度；

m—过坎水流流量系数，可取m=0.42。

式中：δ—堰顶宽，m；

H—堰顶水头，m。

坎高按下式计算：

式中符号意义同前。

消力池长度按下式计算：

Lj=6.9（hc"-hc）

式中：Lj—水跃长度，m。

（4）第二级消力池水力计算

计算公式参照一级消力池计算，只是总水头计算时，上游水头按照第一级消力坎坎顶水头作为下游计算的总水头。其余计算方法同前。

经计算，并结合地形确定堰下第一级消力池长12.00m，厚度为0.60m，消力坎高1.00m，坎顶宽4.00m，满足要求。第二级消力池深1.00m，池长15.00m，厚度为0.6m，满足要求。

四、结语

两级消力池的水流流态虽然复杂，但仍然是遵守目前水力学规律的，可按照现有水力学公式进行计算。该工程中设置两级消力池，不仅有效地保证了消能效果，并且更好地适应现场地形布置要求。二级消力池没有统一的型式，可因地制宜布置，满足工程的经济技术要求