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摘 要：文章介绍了李溪拦河坝水利枢纽消能工的设计，并通过水工模型试验进行验证。依据试验结果，对消能工方案继续拧优化，有效改善了消力池下游的水流流态，可为类似工程设计提供参考。
关键词：水闸；消能工；设计
中图分类号：TV653 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）09-0129-02
1 工程概况
李溪拦河坝枢纽是流溪河梯级开发工程之一，位于流溪河下游花都区花东镇李溪村，是一座以灌溉为主、结合发电、供水的综合利用水利工程。该枢纽工程由拦河坝、右岸进水闸、东、西两座水电站组成。李溪拦河坝Ⅱ期加固改造工程，主要是对其闸坝主体结构进行重建，将其建设成为具有灌溉、发电、景观、旅游、改善水环境的综合性大型枢纽工程。工程规模属大（2）型，工程等级为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级；采用50 a一遇洪水设计，100 a一遇洪水校核。
李溪拦河坝自1970年建成投入运行以来，遭遇不少大小洪水，拦河坝的消能防设施有着不同程度的毁损，目前消能设施存在的主要问题为驼峰堰受长期水流冲刷，磨损较大，出口角度变化较大，局部不能形成面流，加大了下游消能压力；工程施工年代久远，施工质量较差。
拦河坝水闸的上下游具有较大的水位差，同时闸孔宽度小于上下游河道宽，使得过闸流量比较集中，单宽流量加大。过闸水流具有较大动能，因此必须采取适当的消能防冲措施，防止水流冲刷下游河道，近一步威胁水闸（坝）安全。
2 李溪拦河坝消能防冲设计
2.1 闸门运行调度
本工程原则上不对径流进行调节，根据上来水量先满足灌溉及供水，余水用来发电。在非汛期应将水位维持在正常蓄水位10.51 m不变，远期可考虑下游河道补水要求。在汛期，在河道流量不大的情况下，维持来水量与泄水量平衡，使水位不超过10.51 m，当遭遇大洪水时，水量增加使坝前水位超过10.51 m，则开启闸门，开闸孔数及开度视来水量而定，使坝前水位降至10.51 m以下，若来水量继续增大，坝前水位继续上涨，则闸门全开，达到最大泄洪能力，当水位回落至10.51 m时，逐渐关闭闸门。当预报有特大暴雨时，可提前开闸泄水，保证河道行洪安全。
2.2 消能防冲计算
李溪拦河坝消力池分一级消力池设计计算及二级消力池复核。
第一级消力池内水流为急流，水面线以收缩断面作为控制断面，发生水跃，由于余能较大，消力池后水平护坦段水流仍然是急流，水深按自由出流的堰流计算；其后接第二级消力池的陡坡，水面线急剧下降，水流为急流，以第二级消力池的收缩断面作为控制断面，发生水跃；消力池后接i=0.03的陡坡，水流为缓流，产生壅水曲线，其下限为K-K’（临界水深hk，Frc=1），上限逼近下游河床水深ht；陡坡首端水深可按淹没出流的堰流计算，或由下游河床观测水深ht往上推算；下游河床为缓坡，水流为缓流，水面线水平或逐渐下降。
考虑到小流量时，闸门均为局部开启，均为闸孔出流，此次计算根据规范开启度e/H<0.65时，消能按照闸孔出流来计算，消力池计算简图如图1所示。
闸孔出流的收缩水深hc用下式计算：
hc=εe
式中，e为闸门开启高度；ε为垂直收缩虚数。
对于平板闸门，ε与相对开度e/H有关，平板闸门垂直收缩系数ε如表1所示。
闸孔出流流量系数为：
式中，Lsj为消力池长度，m；Ls为消力池斜坡段水平投影长度，m；β为水跃长度校正系数，0.75；Lj为水跃长度，m。
2.2.3 消力池底板厚度计算
计算结果如表3所示。
由成果可见，按设计结构建成后，闸前水位设计工况（P=2%）为11.27 m，校核工况（P=1%）为11.54 m。
根据2002年广东省水文局广州分局《流溪河中、下游设计洪水水面线复核报告》成果设计工况和校核工况的闸前水位分别为11.27 m、11.55 m，此次改造后，闸前水位均未超过此数。
2.3 海漫、防冲槽设计及复核计算
海漫应具有一定的柔性、透水性和表面粗糙性，其结构和抗冲能力英语水流流速相适应。柔性是可以使海漫在一定程度上适应河床的变形；透水性是为了消除海漫底部的渗透压力；表面粗糙性是为了消除水流的余能；抗冲是为了保证海漫本身不至于被水流冲刷破坏，从而达到保护河床的目的。
根据《水闸设计规范》，海漫长度：
2.4 消能防冲设计
李溪拦河坝上左岸堤顶高程为13.57 m，右岸堤顶高程为14.3 m，均满足超高要求。
消力池总长16 m，其中首端以1∶4斜坡与闸室底板相接，水平投影长度为4 m；末端水平段长度为12 m。消力池深度为1.0 m，为改善流态，在尾坎顶部加设消力墩，池底面高程为6.80 m。消力池后设长度为4 m水平平台与二级消力池相接，平台高程为7.80 m。消力池底板用C30钢筋混凝土浇筑，厚度为0.8 m，在消力池水平段后6 m底板上设置φ110排水孔，排水孔采用PVC管，间距为2.0 m×2.0 m，梅花状布置，并在该部位底板底面铺设反滤层。
2.5 水工模型试验
水工模型试验的主要任务是根据设计提供的水流流量关系，对闸后消力池、消力墩等消能效果进行验证，提出合理的消能方案；模型试验过程中发现当消力池池深仅为1 m，一级消力池流态比较紊乱，形不成相对稳定的水跃，因此在本次设计中消力池尾坎顶部加设消力墩。增加消力墩后，明显改善了消力池的出流流态。
3 结 语
经过计算，重新修复的李溪拦河坝消力池池深1 m，长度16 m，海漫长度50 m。珠江水利科学研究院对拦河坝进行水工模型试验验证，在消力池尾坎顶部增设消力墩，改善了消力池水流流态。
2011年工程完工至今，李溪拦河坝消能工运行良好，闸后水流稳定，未发现新的冲刷破坏现象。证明消能措施的布置和设计是合理的。
参考文献：
[1] 陈宝华，张世儒.水闸—取水输水建筑物丛书[M].北京：中国水利水电出版社，2003.
[2] 华东水利学院.水闸设计[M].上海：上海科学技术出版社，1983.
[3] SL265-2001，水闸设计规范[S].
[4] 史志鹏.低水头泄水建筑物消能措施数值模拟[D].杨凌：西北农林科技大学，2010.
[5] 侯斌.低水头航电枢纽泄水闸下游冲刷问题研究[D].长沙：长沙理工大学，2010.
关键词：水闸；消能工；设计
中图分类号：TV653 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）09-0129-02
1 工程概况
李溪拦河坝枢纽是流溪河梯级开发工程之一，位于流溪河下游花都区花东镇李溪村，是一座以灌溉为主、结合发电、供水的综合利用水利工程。该枢纽工程由拦河坝、右岸进水闸、东、西两座水电站组成。李溪拦河坝Ⅱ期加固改造工程，主要是对其闸坝主体结构进行重建，将其建设成为具有灌溉、发电、景观、旅游、改善水环境的综合性大型枢纽工程。工程规模属大（2）型，工程等级为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级；采用50 a一遇洪水设计，100 a一遇洪水校核。
李溪拦河坝自1970年建成投入运行以来，遭遇不少大小洪水，拦河坝的消能防设施有着不同程度的毁损，目前消能设施存在的主要问题为驼峰堰受长期水流冲刷，磨损较大，出口角度变化较大，局部不能形成面流，加大了下游消能压力；工程施工年代久远，施工质量较差。
拦河坝水闸的上下游具有较大的水位差，同时闸孔宽度小于上下游河道宽，使得过闸流量比较集中，单宽流量加大。过闸水流具有较大动能，因此必须采取适当的消能防冲措施，防止水流冲刷下游河道，近一步威胁水闸（坝）安全。
2 李溪拦河坝消能防冲设计
2.1 闸门运行调度
本工程原则上不对径流进行调节，根据上来水量先满足灌溉及供水，余水用来发电。在非汛期应将水位维持在正常蓄水位10.51 m不变，远期可考虑下游河道补水要求。在汛期，在河道流量不大的情况下，维持来水量与泄水量平衡，使水位不超过10.51 m，当遭遇大洪水时，水量增加使坝前水位超过10.51 m，则开启闸门，开闸孔数及开度视来水量而定，使坝前水位降至10.51 m以下，若来水量继续增大，坝前水位继续上涨，则闸门全开，达到最大泄洪能力，当水位回落至10.51 m时，逐渐关闭闸门。当预报有特大暴雨时，可提前开闸泄水，保证河道行洪安全。
2.2 消能防冲计算
李溪拦河坝消力池分一级消力池设计计算及二级消力池复核。
第一级消力池内水流为急流，水面线以收缩断面作为控制断面，发生水跃，由于余能较大，消力池后水平护坦段水流仍然是急流，水深按自由出流的堰流计算；其后接第二级消力池的陡坡，水面线急剧下降，水流为急流，以第二级消力池的收缩断面作为控制断面，发生水跃；消力池后接i=0.03的陡坡，水流为缓流，产生壅水曲线，其下限为K-K’（临界水深hk，Frc=1），上限逼近下游河床水深ht；陡坡首端水深可按淹没出流的堰流计算，或由下游河床观测水深ht往上推算；下游河床为缓坡，水流为缓流，水面线水平或逐渐下降。
考虑到小流量时，闸门均为局部开启，均为闸孔出流，此次计算根据规范开启度e/H<0.65时，消能按照闸孔出流来计算，消力池计算简图如图1所示。
闸孔出流的收缩水深hc用下式计算：
hc=εe
式中，e为闸门开启高度；ε为垂直收缩虚数。
对于平板闸门，ε与相对开度e/H有关，平板闸门垂直收缩系数ε如表1所示。
闸孔出流流量系数为：
式中，Lsj为消力池长度，m；Ls为消力池斜坡段水平投影长度，m；β为水跃长度校正系数，0.75；Lj为水跃长度，m。
2.2.3 消力池底板厚度计算
计算结果如表3所示。
由成果可见，按设计结构建成后，闸前水位设计工况（P=2%）为11.27 m，校核工况（P=1%）为11.54 m。
根据2002年广东省水文局广州分局《流溪河中、下游设计洪水水面线复核报告》成果设计工况和校核工况的闸前水位分别为11.27 m、11.55 m，此次改造后，闸前水位均未超过此数。
2.3 海漫、防冲槽设计及复核计算
海漫应具有一定的柔性、透水性和表面粗糙性，其结构和抗冲能力英语水流流速相适应。柔性是可以使海漫在一定程度上适应河床的变形；透水性是为了消除海漫底部的渗透压力；表面粗糙性是为了消除水流的余能；抗冲是为了保证海漫本身不至于被水流冲刷破坏，从而达到保护河床的目的。
根据《水闸设计规范》，海漫长度：
2.4 消能防冲设计
李溪拦河坝上左岸堤顶高程为13.57 m，右岸堤顶高程为14.3 m，均满足超高要求。
消力池总长16 m，其中首端以1∶4斜坡与闸室底板相接，水平投影长度为4 m；末端水平段长度为12 m。消力池深度为1.0 m，为改善流态，在尾坎顶部加设消力墩，池底面高程为6.80 m。消力池后设长度为4 m水平平台与二级消力池相接，平台高程为7.80 m。消力池底板用C30钢筋混凝土浇筑，厚度为0.8 m，在消力池水平段后6 m底板上设置φ110排水孔，排水孔采用PVC管，间距为2.0 m×2.0 m，梅花状布置，并在该部位底板底面铺设反滤层。
2.5 水工模型试验
水工模型试验的主要任务是根据设计提供的水流流量关系，对闸后消力池、消力墩等消能效果进行验证，提出合理的消能方案；模型试验过程中发现当消力池池深仅为1 m，一级消力池流态比较紊乱，形不成相对稳定的水跃，因此在本次设计中消力池尾坎顶部加设消力墩。增加消力墩后，明显改善了消力池的出流流态。
3 结 语
经过计算，重新修复的李溪拦河坝消力池池深1 m，长度16 m，海漫长度50 m。珠江水利科学研究院对拦河坝进行水工模型试验验证，在消力池尾坎顶部增设消力墩，改善了消力池水流流态。
2011年工程完工至今，李溪拦河坝消能工运行良好，闸后水流稳定，未发现新的冲刷破坏现象。证明消能措施的布置和设计是合理的。
参考文献：
[1] 陈宝华，张世儒.水闸—取水输水建筑物丛书[M].北京：中国水利水电出版社，2003.
[2] 华东水利学院.水闸设计[M].上海：上海科学技术出版社，1983.
[3] SL265-2001，水闸设计规范[S].
[4] 史志鹏.低水头泄水建筑物消能措施数值模拟[D].杨凌：西北农林科技大学，2010.
[5] 侯斌.低水头航电枢纽泄水闸下游冲刷问题研究[D].长沙：长沙理工大学，2010.