CN116127585B - 一种钢坝闸下游消能安全区域设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种钢坝闸下游消能安全区域设计方法，根据钢坝闸溢流水舌冲砸的范围区间，确定钢坝闸下游护坦的长度。通过本发明提供的钢坝闸下游消能防冲设计方法确定的钢坝闸下游消能结构的最小长度，能够将实际冲击翻滚区范围包括在内，根据该值设置消力池或水垫塘长度，可以减少工程施工量的同时，降低了施工成本，并且可以确保闸后消能结构的安全性。

Description

一种钢坝闸下游消能安全区域设计方法

技术领域

本发明涉及钢坝闸技术领域，特别是涉及一种钢坝闸下游消能安全区域设计方法。

背景技术

钢坝闸是一种新型可调控溢流闸门，它有土建结构、带固定轴的钢闸门门体、启闭设备等组成。由于它可以设计的比较宽，可以省去闸孔闸墩，所以不仅结构简单，可以节省不少土建投资，而且可以立门蓄水，卧门行洪排涝，适当开启调节水位，还可以利用闸门门顶过水，形成人工瀑布的景观效果。

现有技术中，钢坝闸在放水时，由于钢坝闸独特的泄流形态及其门后水舌抛射范围和其水流振荡特性，为避免水流对河床进行冲刷破坏，一般在钢坝闸的下游设置消能结构和/或护坦，但是钢坝闸在放水时，由于钢坝闸独特的泄流形态，如采用常规的消能公式来计算，钢坝闸的下游需要防护的区域长度会很长，直接导致工程施工量的增加，提高了施工成本。为此，提出一种钢坝闸下游消能安全区域设计方法，以解决上述现有技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢坝闸下游消能安全区域设计方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种钢坝闸下游消能安全区域设计方法，具体包括以下步骤：

S1、确定钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L_抛：

L_抛＝L_s+L_p (1)

其中，

L_s为闸门开启过程中闸门水平投影长度，(单位：m)；

L_p为水流平抛冲砸底板最远距离，(单位：m)；

S2、确定钢坝闸下游护坦的长度L_防护：

L_防护＝ζ₂×L_抛 (2)

其中，

L_防护为钢坝闸下游护坦的尾部距闸门转轴中心距离，(单位：m)；

ζ₂为消能防冲范围计算系数。

优选的，还包括：

S0、在钢坝闸上游设置挡水坎，确定挡水坎顶部至闸门顶部距离H，(单位：m)；

S01、确定钢坝闸转轴中心与上游挡水坎顶部的高差Δ₁，(单位：m)；

S02、确定闸门的旋转半径R：

R＝H+Δ₁ (3)

S03、确定钢坝闸转轴中心与下游河底高差Δ₂，(单位：m)；

S04、确定钢坝闸溢流水头高度Δh，(单位：m)。

优选的，根据式(3)，闸门开启过程中闸门水平投影长度L_s：

L_s＝R×SINθ (4)

其中，θ为闸门开启竖直角度；

根据式(3)，水流平抛冲砸底板最远距离L_p：

根据式(1)、式(4)和式(5)，钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L_抛：

根据式(2)和式(6)确定钢坝闸下游护坦的最小长度。

优选的，消能防冲范围计算系数计算公式为：

根据式(2)、式(6)和式(7)，得出：

优选的，在钢坝闸下游设置有消能结构时，根据式(8)，消能结构下游护坦长度的计算公式为：

L_护坦＝L_防护-L_池 (9)

其中，L_池为钢坝闸下游消能结构的尾部距闸门转轴中心距离，(单位：m)；L_池的计算公式为：

L_护坦为钢坝闸下游护坦的最小长度。

本发明公开了以下技术效果：

通过本发明提供的钢坝闸下游消能防冲设计方法确定的钢坝闸下游消能结构的最小长度，能够将实际冲击翻滚区范围包括在内，根据该值设置消力池或水垫塘长度，可以减少工程施工量的同时，降低了施工成本，并且可以确保闸后消能结构的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为钢坝闸立门挡水时溢流水舌抛射示意图；

图2为钢坝闸开启后闸门向下游倾斜时溢流水舌抛射示意图；

图3为溢流水舌平抛运动示意图；

图4为钢坝闸与泵站组合布置门高3.35m、溢流0.5m抛射水舌及消能防护范围关系图；

图5为钢坝闸与泵站组合布置门高3.9m、溢流0.5m抛射水舌及消能防护范围关系图；

图6为钢坝闸与泵站组合布置门高4.5m、溢流0.4m抛射水舌及消能防护范围关系图；

图7为钢坝闸与泵站组合布置门高4.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防护范围关系图；

图8为钢坝闸单孔布置门高5.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防护范围关系图；

图9为钢坝闸单孔布置门高6.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防护范围关系图；

图10为钢坝闸单孔布置门高7.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防护范围关系图；

图11为钢坝闸门高6.5m、开启角度30°、溢流0.5m抛射水舌及消能防护范围关系图；

图12为钢坝闸开启角度30°、不同溢流水头高度抛射水舌及消能防护范围关系图；

图13为16m单孔钢坝闸溢流0.5m、不同开启角度消能防冲范围关系图；

图14为16m单孔钢坝闸开度30°、不同下游水深消能防冲范围关系图；

图15为钢坝闸开度30°、不同溢流水头高度消能防冲范围关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种钢坝闸下游消能安全区域设计方法，具体包括以下步骤：

S1、确定钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L_抛：

L_抛＝L_s+L_p (1)

其中，

L_s为闸门开启过程中闸门水平投影长度，(单位：m)；

L_p为水流平抛冲砸底板最远距离，(单位：m)；

S2、确定钢坝闸下游护坦的长度L_防护：

L_防护＝ζ₂×L_抛 (2)

其中，

L_防护为钢坝闸下游护坦的尾部距闸门转轴中心距离，(单位：m)；

ζ₂为消能防冲范围计算系数。

进一步的，还包括：

S0、在钢坝闸上游设置挡水坎，确定挡水坎顶部至闸门顶部距离H，(单位：m)；

S01、确定钢坝闸转轴中心与上游挡水坎顶部的高差Δ₁，(单位：m)；

S02、确定闸门的旋转半径R：

R＝H+Δ₁ (3)

S03、确定钢坝闸转轴中心与下游河底高差Δ₂，(单位：m)；

S04、确定钢坝闸溢流水头高度Δh，(单位：m)。

进一步的，根据式(3)，闸门开启过程中闸门水平投影长度L_s：

L_s＝R×SINθ (4)

其中，θ为闸门开启竖直角度；

钢坝闸立门挡水(开启0°)时，溢流水体抛向下游可按类平抛运行模拟计算，即水流平抛运动，相当于水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合成，平抛运动水平方向只有初速度v₀，没有加速度，所以水平方向位移x＝v₀t，水平方向分速度v_x＝v₀，平抛运动初始速度v_x由闸门顶部溢流水头产生，平抛运动竖直方向相当于初速度为0的自由落体运动，v_y＝gt/>平抛运动竖直方向距离y为钢坝闸闸门顶点至下游消能面距离，在此忽略水流抛射进入下游水体内的水流阻力。

钢坝闸开启后闸门向下游倾斜，闸门顶点后移，其后移距离为闸门开启过程中闸门水平投影长度。因此，钢坝闸溢流水舌抛射距离按闸门开启角度产生的闸门水平投影长度和由溢流水头产生的流动水体平抛水平距离之和确定。

根据式(3)，水流平抛冲砸底板最远距离L_p：

根据式(1)、式(4)和式(5)，钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L_抛：

根据式(2)和式(6)确定钢坝闸下游护坦的最小长度。

进一步的，消能防冲范围计算系数计算公式为：

根据式(2)、式(6)和式(7)，得出：

进一步的，在钢坝闸下游设置有消能结构时，根据式(8)，消能结构下游护坦长度的计算公式为：

L_护坦＝L_防护-L_池 (9)

其中，L_池为钢坝闸下游消能结构的尾部距闸门转轴中心距离，(单位：m)；L_池的计算公式为：

L_护坦为钢坝闸下游护坦的最小长度。

闸后护坦区间模拟推导旨在将钢坝闸闸后水流跳跃翻滚及底流冲刷区间，包括在消能防护范围以内，避免因消能不够充分，底流速过大而导致闸下河底及岸坡被冲刷损毁。

实施例

钢坝闸(门宽6.0m)泵闸结合布置方案门高3.35m、3.9m、4.5m，及钢坝闸(门宽12.0m)单孔布置方案门高5.5m、6.5m、7.5m，不同溢流水头、不同闸门开度、不同上下游水深，各运行工况建议进行消能防冲保护的区间范围(闸后距闸门转轴中心水平距离)L_防护以及水舌冲砸底板区位试验数据如表1～表9所示。

L_1min为抛射水舌冲砸底板波动范围距钢坝闸转轴中心水平距离最小值，(单位：m)；

L_1max为抛射水舌冲砸底板波动范围距钢坝闸转轴中心水平距离最大值，(单位：m)；

L_Bmin为抛射水舌冲砸底板翻滚范围距钢坝闸转轴中心水平距离最小值，(单位：m)；

L_Bmax为抛射水舌冲砸底板翻滚范围距钢坝闸转轴中心水平距离最大值，(单位：m)。

表1钢坝闸+泵站组合布置门高3.35m、益流0.5m抛射水舌及消能防护范围

表2钢坝闸+泵站组合布置门高3.9m、益流0.5m抛射水舌及消能防护范围

表3钢坝闸+泵站组合布置门高4.5m、益流0.4m抛射水舌及消能防护范围

表4钢坝闸+泵站组合布置门高4.5m、益流0.5m抛射水舌及消能防护范围

表5钢坝闸单孔布置门高5.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防护范围

表6钢坝闸单孔布置门高6.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防护范围

表7钢坝闸单孔布置门高7.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防护范围

表8钢坝闸门高6.5m、开度30°、溢流0.5m抛射水舌及消能防护范围

表9钢坝闸开启角度30°不同溢流水头抛射水舌及消能防护范围

根据试验测试结果表明，通过拟合公式计算得出的消能防冲范围和溢流水跃影响范围基本一致，且将水跃影响范围包括在内，根据该值设计的消能防冲范围，可确保工程运行安全。

对比例一

使用常规水闸消能防冲计算消力池安全稳定区域。

按已有常规水闸设计规范要求，平原地区的水闸，由于水头低，下游水深大、水位变化大，难以产生面流水跃，一般都采用底流水跃消能，将护坦高程降低以增加水深，形成消力池，促使发生水跃以消耗多余能量。

消力池的长度要求保证水跃发生在池内，池末端的尾槛对水流有反击作用，故池中水跃长度小于自由水跃长度。

消力池池长：L＝L₁+βL_m

式中：

L为消力池长度(m)；

L1为射流长度，即消力池斜坡段水平投影长度(m)；

β为水跃长度校正系数，一般采用0.7～0.8，本对比例采用0.75；

Lm为水跃长度(m)，

时，/>

时，L_m＝4.6h″

消力池一般采用混凝土或钢筋混凝土结构，底板厚度为0.5m～1.2m，侧墙、尾槛的厚度为0.5m～1.0m，其厚度应满足抗冲和抗浮稳定要求。

满足抗冲要求，消力池底板厚度为：

式中：

t为消力池底板始端厚度(m)；

q为单宽流量(m³/s·m)；

ΔH为上下游水位差(m)；

K为消力池底板计算经验系数，当采用设计水位差时，取K＝0.2；采用最大水位差时，取K＝0.175。

有渗压作用时，消力池底板厚度要计算抗浮稳定，消力池底板厚度可按下式计算：

式中：

t为消力池底板平均厚度(m)；

Pm为渗透压力(t/m²)；

γ₁为消力池的材料容重(t/m³)；

K为安全系数，应视建筑物的重要性而定，一般K＝1.1～1.3。

对比例二

使用常规水闸消能防冲计算海漫护坦安全稳定区域。

海漫的作用是消减水流的剩余能量，使水流均匀地扩散，调整流速分布，减小底部冲刷。

海漫的长度取决于消能后剩余能量的大小和河床土质的抗冲能力，根据可能出现的最不利水位流量组合情况，采用以下计算：

式中：

q为消力池末端的单宽流量(m³/s·m)；

L为海漫长度(m)；

ΔH为上下游水位差(m)；

K为系数，河床土质为细砂及砂壤土时，取K＝10～12；粗砂及壤土时，取K＝8～9；硬粘土时，取K＝6～7。消能设备及下游翼墙扩散条件较好的，可取K值范围中较小值，反之取较大值；本对比例工程河床土质为细砂且消能设施仅为平底射消力坎形式，故取K＝12。

海漫前端采用桨砌石海漫，约为海漫长度的1/3，厚度为0.4～0.6m，抗冲流速约为3～6m/s；干砌石海漫厚度约为0.4～0.6m，下设碎石粗砂垫层10～15em，抗冲流速为3～4m/s，常设在海漫后段。

海漫设置沿水流方向，除在平面上采取向两侧逐渐扩散布置外，接水平段向下游砌筑成浆砌块石、干砌块石的斜坡，使水流在垂直水流方向扩散，调整流速分布，使其接近河床土质的允许流速。海漫末端流速可按下式核算。

式中：

v为海漫末端的平均流速(m/s)；

q为海漫末端的单宽流量(m³/s·m)；

ht为海漫末端的水深(m)；

[v]为相应海漫末端水深的河床土质允许流速(m/s)。

试验对16m单孔布置钢坝闸采用试验研究得出的结果和借鉴传统水闸(底流消能方式)进行消能防冲计算结果进行比较，详细数据见表10～表12。

表10为16m单孔钢坝闸溢流水头0.5m消能防冲范围计算结果，单位：m

表11为16m单孔钢坝开度30°不同下游水深消能防冲范围计算结果，单位：m

表12为16m单孔钢坝开度30°不同溢流水头消能防冲范围计算结果，单位：m

从比较结果可以看出，采用本发明提供的计算公式进行闸下消能防冲设计和借鉴传统底流进行消能防冲设计相比较，采用本发明设计的消力池工程量节约为7％～58％之间，护坦或海漫设计长度节约量约为65％～92％之间，消能防冲长度总节约量约为58％～78％。。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种钢坝闸下游消能安全区域设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、确定钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L_抛：

L_抛＝L_s+L_p (1)

其中，

L_s为闸门开启过程中闸门水平投影长度，(单位：m)；

L_p为水流平抛冲砸底板最远距离，(单位：m)；

S2、确定钢坝闸下游护坦的长度L_防护：

L_防护＝ζ₂×L_抛 (2)

其中，

L_防护为钢坝闸下游护坦的尾部距闸门转轴中心距离，(单位：m)；

ζ₂为消能防冲范围计算系数；

还包括：

S0、在钢坝闸上游设置挡水坎，确定挡水坎顶部至闸门顶部距离H，(单位：m)；

S01、确定钢坝闸转轴中心与上游挡水坎顶部的高差Δ₁，(单位：m)；

S02、确定闸门的旋转半径R：

R＝H+Δ₁ (3)

S03、确定钢坝闸转轴中心与下游河底高差Δ₂，(单位：m)；

S04、确定钢坝闸溢流水头高度Δh，(单位：m)；

根据式(3)，闸门开启过程中闸门水平投影长度L_s：

L_s＝R×SINθ (4)

其中，θ为闸门开启竖直角度；

根据式(3)，水流平抛冲砸底板最远距离L_p：

根据式(1)、式(4)和式(5)，钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L_抛：

根据式(2)和式(6)确定钢坝闸下游护坦的最小长度；

消能防冲范围计算系数计算公式为：

根据式(2)、式(6)和式(7)，得出：

2.根据权利要求1所述的钢坝闸下游消能安全区域设计方法，其特征在于，在钢坝闸下游设置有消能结构时，根据式(8)，消能结构下游护坦长度的计算公式为：

L_护坦＝L_防护-L_池 (9)

其中，L_池为钢坝闸下游消能结构的尾部距闸门转轴中心距离，(单位：m)；L_池的计算公式为：

L_护坦为钢坝闸下游护坦的最小长度。