临沂市蒙阴橡胶坝消能防冲设计分析

周玲玲

（临沂市水利水电工程建设监理中心，山东 临沂 276000）

蒙阴橡胶坝为充水式，橡胶坝全长307m，分为4跨，每跨长76m，中墩厚1.0m。橡胶坝底板高程为180.27m，橡胶坝正常蓄水位为180.57m，坝高2.3m。枢纽工程等别为Ⅲ等，主要建筑物橡胶坝级别为3级，次要建筑物斜坡式护岸级别为4级，临时建筑物级别为5级。橡胶坝设计洪水标准和校核洪水标准均为50年一遇，50年一遇设计（校核）洪水流量为3323m3/s。由于橡胶坝运行过程中上下游水位差较大，为保护下游河床，需对橡胶坝进行消能防冲处理。

1 橡胶坝消能防冲设计

1.1 设计工况

橡胶坝在坝体溢流时水流流态复杂，工况多变，而且极易发生坝袋振动，直接影响到坝袋的安全运行[1]。因此，在进行消能防冲设计时，应结合橡胶坝的泄流运行规律，合理制定工况进行分析计算。本次设计拟选取以下3种典型工况计算橡胶坝过流能力，在此基础上分析消能防冲设计[2]。

1）工况Ⅰ：当下泄流量较小，橡胶坝全部充起时，顶部类似实用堰。此时，上游水位为正常蓄水位加溢流水深；下游水位很浅甚至无水，按下游河床计算。

2）工况Ⅱ：随着下泄流量逐渐增加，橡胶坝在塌落过程中，坝型类似于宽顶堰。此时，上游水位维持正常蓄水位不变；下游水深逐渐升高，下游水位为下泄相应流量对应的下游水位。

3）工况Ⅲ：当下泄流量较大时，橡胶坝全部塌落，袋面上全河道行洪，水流比较平稳，流速与原河床流速相近。此时，上游水位为下泄流量对应的下游水位加过闸水位差；下游水位为下泄相应流量对应的下游水位。

1.2 橡胶坝过流能力计算

橡胶坝的过流能力，按《橡胶坝工程技术规范》（GB/T50979-2014）附录A进行计算。

式中：Q为过坝流量，m3/s；B为溢流断面的平均宽度，m；H0为计入行近流速水头的堰顶水头，m；m为流量系数，坝袋完全塌平时，视作宽顶堰，流量系数取0.33～0.36，坝袋充胀时，视为曲线型实用堰，流量系数取0.36～0.45；ε为堰流侧收缩系数；σ为淹没系数。

1）坝顶溢流。橡胶坝全部充起时，坝型类似实用堰，坝顶泄流流量[3]计算见表1。根据《水工设计手册》（第2版）第7卷，为避免坝顶溢流时坝袋振动影响坝的正常使用，坝顶溢流水深宜取0.2～0.5m，本次设计坝顶最大溢流水深取0.3m，对应泄流流量为113m3/s。

表1 橡胶坝坝顶溢流流量计算成果表

2）橡胶坝部分塌坝。为增加安全储备，汛期橡胶坝应部分塌坝运行，坝型类似宽顶堰，橡胶坝过流能力见表2。结合橡胶坝的控制运行管理方式，本次设计汛期按塌坝1m运行，此时，橡胶坝泄流流量为498m3/s。

表2 橡胶坝部分塌坝计算成果表

3）坝袋全部塌落。当下泄流量较大，橡胶坝全部塌落时，橡胶坝过流能力按宽顶堰计算，计算结果见表3。

表3 橡胶坝全部塌落计算成果表

2 消力池设计

2.1 消力池计算

1）消力池深度

式中：d为消力池深度；σ0为水跃淹没系数，取1.05；hc″为跃后水深，m；hc为收缩水深，m；α为水流动能校正系数，取1.0；q为单宽流量，m2/s；φ为流速系数；b1为消力池首端宽度，m；b2为消力池末端宽度，m；T0为由消力池底板顶面算起的总势能，m；ΔZ为出池落差，m；hs′为出池河床水深，m。

2）消力池长度

式中：Lsj为消力池长度，m；Lj为水跃长度，m；Ls为消力池斜坡段投影长度，m；β为水跃长度校正系数，取0.7～0.8。

3）消力池底板厚度。消力池底板厚度一般可根据抗冲和抗浮的要求分别按经验公式和理论公式计算确定，并取最大值。

抗冲计算公式为：

抗浮计算公式为：

式中：t为消力池底板始端厚度，m；ΔH′为坝泄水时的上下游水位差，m；k1为消力池底板计算系数，取0.15～0.20；k2为消力池底板安全系数，取1.1～1.3；U为作用在消力池底板底面的扬压力，kPa；W为作用在消力池底板顶面的水重，kPa；Pm为作用在消力池底板上的脉动压力，kPa；γb为消力池底板的饱和重度，kN/m3。

2.2 消力池计算成果

根据公式（2）～（9），得到不同下泄流量条件下的消力池尺寸，计算成果见表4。从表4可以看出，消力池池深计算工况以跃后水深与下游水深差（hc″-hs）最大为控制工况，随着橡胶坝下泄流量的增加，消力池池深的计算结果呈现先增大后减少的趋势，池深控制工况为坝顶溢流水深0.3m，下泄流量113m3/s，此时池深计算结果为0.72m；消力池池长计算工况以跃后水深最大为控制工况，此时橡胶坝下泄流量最大，为消力池运行中可能出现的最大流量3323m3/s，此时消力池水平池长计算结果为11.85m；由于消力池内设ϕ100排水孔，大大降低了底板扬压力，消力池底板厚度以抗冲工况控制，消力池底板厚度计算结果最大为0.48m。

表4 橡胶坝消力池计算成果表

根据表4计算结果并结合实际地形、地质条件，消力池池深设计取1.0m，池长取值12.0m，消力池底板厚度取0.8m。

3 海漫设计

根据水工模型试验研究资料及工程实际经验，若消力池设计得当，可消杀水流全部动能的40%～70%，但其剩余能量对池后河床还可能造成冲刷，且池后单宽流量和流速还比较大，分布也不很均匀，甚至水流紊动还比较严重，因此紧接消力池后还需设置海漫，用于保护消力池后的河床免遭水流冲刷。

海漫长度可按下式计算：

式中：LP为海漫长度，m；qs为消力池末端单宽流量，m3/s/m；KP为海漫长度计算系数。

经计算，橡胶坝下游海漫长度为24.74m，设计取值为25.0m。

4 防冲槽设计

下泄水流经过海漫后，河床流速分布虽接近正常分布状态，但在海漫末端仍有冲刷现象，甚至危及消力池护坦的稳定性。因此，为保障充分的消能防冲效果，需对过坝水流继续进行消能防冲处理，本次设计拟在海漫末端设置下游防冲槽。防冲槽尺寸根据河床冲刷深度确定，计算公式如下：

式中：dm为海漫末端河床冲刷深度，m；qm为海漫末端单宽流量，m3/s/m；[v0]为河床土质允许不冲流速，m；hm为海漫末端河床水深，m。

海漫末端的河床土质为砾质粗砂，水闸的单宽流量为10.93m3/s/m，经计算，海漫末端的计算冲刷深度为5.89m。

实际工程中，根据上式计算的冲刷深度往往偏大，本次设计基于以上理论计算结果，并参照实际工程经验，拟定防冲槽顶宽8.0m，底宽3.0m，深2.5m，槽内抛填大块乱石，顶部设0.5m厚的格宾网填乱石防护层。

5 结语

结合橡胶坝的控制运用方式，分析了建坝后各种工况下的橡胶坝过流能力，以不同工况下的过流流量为分界点，据此进行消力池的设计计算，并根据计算结果拟定消力池的结构。同时，为彻底消杀过池后的水流动能，避免其对河床产生有害的冲刷，设计中根据理论及实际工程经验在消力池末端布置了一定长度的海漫和防冲槽，进一步确保了消能防冲的有效性。计算结果符合相关规范及工程实际，可为今后相关工程设计和施工提供理论依据及参考价值。