某水闸消能加固设计优化研究

刘 欢

(深圳市广汇源环境水务有限公司惠州分公司，广东 惠州 516000)

1 概述

消能是在泄水建筑物和落差建筑物中，防止或减轻水流对水工建筑物及其下游河渠等的冲刷破坏而修建的工程设施，其目的是为了消耗、分散水流的能量[1-3]。惠州市东岸水闸工程经过检查发现，闸门高水头差挡水时，结构安全复核结果不满足现行规范要求，防冲槽及右岸护坡多次发生冲毁，经分析消能防冲设施存在消能不彻底情况因此有必要重新进行消能结构加固设计[4-5]。

目前国内学者对消能结构设计研究进行了一定推进。杨启功[6]以练江水闸为研究对象，基于过流能力、闸顶高程、抗渗稳定性、结构稳定性复核结论对水闸除险加固设计方案进行详细研究比选，；杨启龙[7]对溢洪道闸闸型方案进行了比较，同时对闸室结构进行了安全复核，复核后满足设计要求；胡绪宝[8]以中山市坦洲镇大涌口水闸为例，分析水闸运行过程中出现的主要病险问题，对水闸进行消能防冲复核、闸室稳定性复核、结构应力复核、基础复核、结构抗震复核，分析结构存在的安全隐患，提出相应的安全加固方法，；周亮[9]就4种不同工况对洪泽站发电工况下的建筑物消能防冲及引河抗冲能力进行复核；梁华锋[10]以某水利工程为例，对平原区水闸闸下消能防冲与闸门控制运行进行研究；李宗民[11]以具体工程为背景，利用水工模型试验的方式，探讨了水闸下游3道坎消力池的消能效果；宋海波[12]对哈拉西力克水闸进行安全评价分析，并对水闸在运行存在的问题提出有关建议。此外还有学者对水闸消能方式和基于水工模型试验复核消能结构性能[13-14]。

本文以惠州市东岸水闸工程为例，为解决闸门高水头差挡水时，结构安全复核结果不满足现行规范要求，防冲槽及右岸护坡多次发生冲毁等问题，重新进行消能结构加固设计研究。根据《水力计算手册》《水力学》《水闸设计规范》等参考中经验公式进行复核计算，依次提出了海漫加固、拆除重建消力池以及多级消能加固方案。研究结果可为相关工程提供参考。

2 工程概况

东岸水闸位于潼湖围的东江堤段、东岸泵站左侧，是潼湖水利工程中集防洪、排涝于一体的重要水闸。水闸地理位置示意图如图1所示。东岸水闸于2015年5月建成投入运行，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，设计洪水标准为50年一遇，设计排涝标准为20年一遇，设计流量241m3/s。于2015年5月建成投入运行。2021年进行水闸安全鉴定，经鉴定为三类闸。根据闸门结构安全复核成果，工作闸门的刚度、强度和稳定性可满足设计工况运行要求，但闸门高水头差挡水时，结构安全复核结果不满足现行规范要求，防冲槽及右岸护坡多次发生冲毁，经分析消能防冲设施存在消能不彻底情况如图2所示，因此需要重新进行消能结构加固设计。

图1 水闸地理位置

图2 水闸下游防冲设施冲毁

3 消能防冲设施加固设计

根据前期设计和安全鉴定阶段成果：①水闸设计运行工况(H上=7.67m，H下=6.57m，Q=241m3/s)，现状消能防冲设施可满足消能要求；②结合水闸实际运行条件，检修工况或日常运行工况(H上=5.0m，H下=0m(水闸出口处东江常水位)，Q<150m3/s)时，因下游水深较小，水流冲刷较为严重，海漫末端及右岸护坡曾多次遭受冲刷破坏，消能防冲不满足要求，存在消能不彻底问题。

本次除险加固设计针对闸下无水，即常水位0.00m，对Q≤150m3/s不同流量等级(25个流量一个等级)进行复核计算，设计方案满足Q≤150m3/s(对应上游水位H上≤5.66m)、下游无水时的消能要求。

此外，根据现场调查水闸右侧泵室出口末端消能设施局部有损坏，考虑海漫段需拆除重建，且为增大下游过流断面，改善水流状态，本次设计方案包含泵室侧出口修复加固。

3.1 方案1——海漫加固

本方案设计拟拆除重建下游海漫及右岸护坡，由消力池末端至外江旋喷桩段位置。重建海漫段拟采用C30钢筋砼结构，表面嵌大石，增加表面粗糙度，断面示意如图3所示。

图3 海漫加固方案断面示意图

3.2 方案2——拆除重建消力池方案

根据《水力计算手册》《水闸设计规范》《水力学》等相关资料，对不同流量等级的消力池尺寸进行复核计算，计算结果见表1。

根据上述计算结果进行方案分析，方案(2-1)～(2-5)消力池和海漫均拆除重建，工程投资较大；施工期间基坑开挖，对周边建筑稳定较为不利，需进行适当支护，施工难度逐渐加大；末端尾坎下游为东江常水位0.00m，随着海漫末端尾坎高度增加，尾坎后水面衔接流态逐渐变差，较高时易造成坎后河岸坡冲刷。此外，方案2-5现状消力池保留，拆除尾坎，延长消力池，工程投资最省、施工方便，但末端2m高尾坎，水面衔接不利，易造成坎后岸坡冲刷；且上游水位低于2.0m时无法排水(根据实际运行情况，甚少出现)。综上，方案2-3施工难度和对周边建筑物影响均相对较小、坎后水头差相对较小，消能较易解决。故消能设施拆除重建推荐方案2-3：消力池和海漫均降低1.0m，下游设2.0m的尾坎蓄水至1.0m。加固措施如图4所示。

表1 拆除重建消力池方案复核计算结果

图4 拆除重建消力池方案加固措施

3.3 方案3——多级消能方案

为减小施工期间，消能设施改造对上游闸室影响，本次拟采用方案为：保留现有消力池，拆除末端尾坎，满足现状一级消能长度计算要求；改造下游海漫，增设下游消能设施，形成二级或多级消能。

根据现场实际情况，本次选取下挖式消力池和消力坎两种消能方式进行复核计算。根据底流消能原理，拟降低下游海漫高程，经试算，降低高度小于2.0m时，改造效果不明显，故本次从海漫降低2.0m开始、0.5m一级进行复核计算，计算结果见表2。

根据上述计算结果进行方案分析可知，方案(3-1)～(3-6)一级消能相同，现状消力池保留，拆除现状尾坎，池长延长1.1m，末端设消力坎，坎高1.4m(自消力池底板算起)，需下级消能。然而，方案(3-1)～(3-3)二级消能采用下挖式消力池方案，消力池底板高程需降低至-3.0m高程可满足消能要求，高于-3.0m时，消力池深度不能满足消能计算要求。对于方案(3-4)～(3-6)下级消能采用消力坎消能方案，底板高程需降低至-3.0m时，流量≤150m3/s三级消能可满足消能要求，高于-3.0m时，需下级或更多级消能。

综上，流量≤150m3/s时，方案3-3和方案3-6计算可满足消能要求。方案3-3：两级消能(一级消力坎+二级下挖式消力池)，总长46m，下游海漫顶高程-1.90m；方案3-6三级消力坎消能，总长56m，下游海漫顶高程-3.0m。故方案3-3长度较短，下游海漫相对较高，施工难度和投资相对较少，故多级消能方案推荐方案3-3。加固措施如图5所示。

图5 多级消能方案断面

4 消能防冲设施加固设计方案比选

对于方案一海漫加固，其施工方便，难度较易，施工对闸室安全影响较小，但消能不彻底问题未解决，后期仍存在一定的安全隐患，投资预算270万元。对于方案二拆除重建消力池，改方案可彻底解决水闸下游消能防冲问题，但施工对闸室等周边建筑影响较大，工期较长，难度较大。此外，消力池末端水流与外江水位仍存在至少1.0m水位差，对外江岸坡有一定的冲刷隐患，工程投资大，投资预算715万元。方案三多级消能，其消能设施末端与外江水面无水位差，对外江冲刷影响较小，可彻底解决水闸下游消能防冲问题。消力池不动，施工部位为海漫段，施工对闸室稳定等安全影响较小，工程投资较大，为520万元。因此，根据以上驳岸点，临时码头上面结构采用贝雷梁钢结构搭设面板，下部采用钢管桩作为支撑结构，每跨渡槽槽身采用起吊质量100t起重船进行水上吊运至临时码头，30t装自卸汽车拉至岸边，再采用液压破碎机现场破碎，将钢筋、砼分离，最后用挖机或装载机配合装8t自卸汽车将其拉运至指定弃渣场进行堆放处理。

表2 多级消能方案复核计算结果

分析，综合经济成本、加固效果以及环境影响，本次除险加固设计推荐方案3，即消能设施除险加固采用多级消能方案：一级消力坎+二级下挖式消力池。

5 结论

本文对惠州市东岸水闸工程重新进行消能结构加固设计研究，依次提出了海漫加固、拆除重建消力池以及多级消能加固方案。最后研究发现，采用一级消力坎+二级下挖式消力池的加固方式，长度较短，下游海漫相对较高，施工难度和投资相对较少，且加固效果较好，值得相关工程借鉴应用。但考虑到现状水闸下游为扩展型，且断面变化较大，计算难以反映水流实际情况等问题，建议后期实际设计中采用三维数模或物理模型进行消能防冲设计方案的合理性进行验证和完善，并为后期设计提供技术支撑。