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1 ICS 备案号 : DB44 广东省地方标准 DB44/T -20 软基水闸消能防冲设计规程 ( 征求意见稿, 请勿引用 ) 发布 实施 广东省质量技术监督局 发布

2 前言 根据广东省质量技术监督局粤质监标函 号文和广东省财政厅粤财农 2013 年 526 号文的要求, 经调查研究, 总结实践经验, 参考国内先进标准, 并在广东省水利厅 2012 年度科技创新项目 软基水闸消能防冲设计规程 关键技术研究 成果的基础上编制完成本规程征求意见稿 本规程征求意见稿的内容包括 : 总则 术语 建筑物级别与闸下水位流量 消能防冲布置 水力设计 结构设计 安全监测和调度运用设计 有关的附录和条文说明 本规程的主管部门是广东省水利厅, 广东省水利电力勘测设计研究院负责具体技术内容的解释 本规程编制单位 : 广东省水利电力勘测设计研究院 广东省水利水电科学研究院 本规程主要起草人 : 本规程主要审查人 : 1

3 目次 1 总则 术语 建筑物级别与闸下水位流量 消能防冲布置 水力设计 结构设计 安全监测和调度运用设计 附录 A 消能防冲水力计算 附录 B 消能防冲结构计算 附录 C 水工物理模型试验技术要求 附录 D 广东省部分已建水闸消能防冲设施情况 本规程用词说明 条文说明

4 1 总则 1.1 为规范广东省平原 滨海区软基水闸的消能防冲设计, 统一设计标准和技术要求, 制定本规程 1.2 本规程适用于广东省平原 滨海区软基上新建或改扩建采用底流式消能的大 中型水闸消能防冲设计 1.3 水闸消能防冲设计应符合下列要求 : (1) 因地制宜 安全可靠 适用耐久 管理方便和经济合理 (2) 与水闸的闸室布置 防渗排水设置 地基处理等相协调 (3) 考虑下游河床变化对闸下水位的影响 1.4 本规程主要引用下列标准 : SL 26 水利水电工程技术术语 SL 155 水工 ( 常规 ) 模型试验规程 SL191 水工混凝土结构设计规范 SL 252 水利水电工程等级划分及洪水标准 SL 253 溢洪道设计规范 SL 265 水闸设计规范 SL 725 水利水电工程安全监测设计规范 SL 379 水工挡土墙设计规范 JGJ 120 建筑基坑支护技术规程 JTG 79 建筑地基处理技术规范 1.5 软基水闸消能防冲设计除应符合本规程规定外, 尚应符合国家及行业现行 有关标准的规定 3

5 2 术语 2.1 软基 (soft fundation) 软弱地基, 是指由冲积或沉积而成的天然含水量高 孔隙比大 压缩性高 抗剪强度低的细粒土地基 2.2 底流消能 (energy dissipation by hydraulic jump) 利用水跃消除从闸室泄出的急流 将急流转变为缓流与下游水流相衔接的消 能方式 2.3 铺盖 (impervious blanket) 布置在水闸上游 与闸室相接, 以增加渗流的渗径长度 减小渗透坡降 防 止地基渗透变形并减少渗透流量的防渗设施 2.4 护坦 (apron) 布置在水闸下游, 用以保护河床免受水流冲刷破坏的刚性护底设施 2.5 消力池 (stilling basin) 布置在水闸下游有护坦及边墙保护的水跃消能设施 2.6 海漫 (riprap) 布置在消力池后, 用以调整流速分布, 均匀地扩散出池水流, 使之与天然河 道的水流状态接近, 保护河床免受冲刷的柔性护底设施 2.7 防冲槽 (anti-scour trench) 布置在水闸上游护底前端 海漫末端, 挖槽抛石形成的防冲棱体 2.8 防冲墙 (anti-scour wall) 布置在水闸上游护底前端 消力池末端 海漫末端地基内, 采用混凝土连续 墙 排桩等型式的竖向防冲刷结构 4

6 3 建筑物级别与闸下水位流量 3.1 建筑物级别及洪水标准 消能防冲建筑物级别应与水闸主要建筑物级别一致 消能防冲建筑物的洪水标准应与该水闸洪水标准一致, 并应考虑泄放小于消能防冲设计洪水标准的流量时可能出现的不利情况 3.2 闸下水位流量 闸下初始水位 (1) 感潮河段闸下初始水位, 按当地实测最低洪潮水位叠加河道汛期多年平均最小流量时的闸下水位选取 (2) 非感潮河段闸下初始水位, 按河道汛期多年平均最小流量时的闸下水位选取 (3) 当直接向湖泊 水库 海洋等大水体排水 闸下水位与过闸流量无关时, 闸下水位取排水期当地实测最低湖水位 水库死水位或当地实测最低潮水位 (4) 引水闸的闸下水位, 可取闸内当地实测最低水位 闸下水位流量关系 (1) 消能防冲设计采用闸下水位流量关系族线的下包络线 (2) 受下游梯级影响的水闸, 在各级流量下均应按下一级水闸全开确定闸下水位流量关系 3.3 河床下切的影响 消能设施的设计应充分考虑闸下河段因采砂等引起河床下切 水位下降的影响 对有较长河道断面资料和水位资料的闸址河段, 应利用这些资料结合河床地质条件分析河床下切 水位变化的趋势 一般不考虑河床淤积对闸下水位的影响 必要时, 可就河床变化对闸下水位的影响开展专题论证 5

7 4 消能防冲布置 4.1 闸址选择和枢纽布置应考虑消能防冲设施的要求 4.2 消能防冲设施的布置应根据闸基及下游河段地形地质条件 河床可能发生的下切 水闸的型式 泄流特点 闸门运用方式等因素综合分析确定 有双向过流要求的水闸, 应布置双向消能防冲设施 4.3 底流消能系统一般包括消力池 海漫及海漫末端的防冲槽 ( 墙 ) 等设施, 其布置型式应通过技术经济比较后确定 4.4 当闸下尾水深度小于跃后水深时, 一般采用下挖式消力池 4.5 下挖式消力池或综合式消力池可采用斜坡面与闸底板相连接, 斜坡面的坡度宜缓于 1:4 消力池的斜坡段与水平段宜为整体结构 4.6 消力池内可加设消力墩 消力梁等辅助消能工 大型水闸的辅助消能工布置应通过水工模型试验验证 4.7 当水闸上 下游水位差较大, 且尾水深度较浅时, 可采用二级消力池消能 4.8 两级消力池之间陡坡段可设置阶梯跌坎 消力坎等辅助消能工, 以增大陡坡段泄流消能效果, 降低下游二级消力池的入池流速, 减小二级消力池的规模 为使一级消力池形成稳定的水跃和尽量缩短消力池的长度, 可适当加高一级消力池末端尾坎的高度 4.9 对于大型多孔水闸, 可根据需要设置隔墩或导墙, 采用不同的消力池底板 尾坎高程进行分区消能防冲布置 4.10 海漫应具有一定的柔性 透水性 表面粗糙性, 其构造和抗冲能力应与水流流速相适应 海漫宜做成缓于 1:10 的斜坡 海漫下面应设垫层, 末端应设防冲槽 4.11 防冲墙可布置在海漫末端或消力池末端, 必要时可同时布置 4.12 消能防冲设施与两岸的连接应保证岸坡稳定和进出水流平顺, 宜采用直墙式结构 4.13 上游翼墙顺水流向的投影长度应大于或等于铺盖长度 下游翼墙顺水流向 6

8 的投影长度应大于或等于消力池长度, 平均扩散角每侧宜采用 7 ~ 上 下游护坡长度应大于护底 ( 海漫 ) 长度, 坡脚应设置基座, 其深度应大于计算的冲刷深度 护坡 护底下面均应设垫层 必要时上游护底首端宜增设防冲槽或防冲墙 4.15 大型水闸及水流条件复杂的中型水闸工程的消能防冲布置在初步设计阶段宜结合水闸枢纽布置经水工模型试验验证 7

9 5 水力设计 5.1 消力池计算 消力池必须在各种可能出现的水力条件下 ( 包括始流至最大洪水流量 ), 都能够满足水闸泄流动能消散和均匀扩散水流的要求, 使得出池水流经下游海漫和防冲槽之后, 与下游河道水流良好地衔接 消力池的水力计算内容应包括 : (1) 消力池末端尾坎顶高程计算 ; (2) 消力池深度计算 ; (3) 消力池长度计算 消力池的水力设计, 应采用工程有效运行期的闸下水位流量关系族线的下包络线进行消力池设计 ; 并根据闸门控制应用方式, 合理选取消能防冲设施设计选用的下游河道初始水位值 计算消力池深度和长度时, 应考虑下游河道水位升高滞后于泄量增大的情况, 闸门开度对应的闸下水位应选取前一级闸门开度泄流稳定之后的下游水位 当消力池下游河床水深大于临界水深时, 消力池计算公式见附录 A.1 (1) 消力池末端尾坎顶高程确定 : 先初拟消力池末端尾坎顶高程, 根据对正常运行的各级开度和闸门全开时过闸流量, 根据消力池末端尾坎断面的泄流单宽流量 水深等, 在确保消力池末端尾坎顶断面水流为缓流 ( 即尾坎下游海漫段水流佛劳德数 Fr<1) 尾坎顶断面出流流速小于尾坎下游海漫段材料抗冲流速的条件下, 计算和确定消力池末端尾坎顶高程 (2) 消力池深度计算 : 由确定的消力池末端尾坎顶高程, 计算出正常运行的各级开度和闸门全开过闸流量相应的深度之后, 以最大计算值确定消力池池深 (3) 消力池长度计算 : 1) 当水闸闸门全开 最大泄洪流量的 h s /H 0.8(h s 为堰顶起算的下游水深, H 为堰顶的上游水深 ) 时, 采用水闸上游为正常蓄水位 水闸闸门控泄最大开度泄洪流量条件计算消力池长度 同时, 消力池水平段池长 βl j 的水跃长度校正系数 β 值取 1.0 8

10 2) 当水闸最大泄洪流量的 h s /H<0.8 时, 可按水闸最大泄洪流量计算下游消力池的长度 当水闸下游采用两级或多级消力池消能时, 尾坎自由出流的消力池内形成临界稳定水跃的尾坎高度 水平段池长计算可见附录 A.2 当一级消力池末端尾坎顶高于水闸堰顶时, 应复核水闸泄流能力 5.2 海漫计算 海漫的长度应根据水闸运行可能出现的不利水位 流量组合进行计算确定, 计算公式见附录 A 海漫段各过水断面的流速应小于其材料的抗冲流速 5.3 河床冲刷深度计算 下游防冲槽的深度应根据海漫末端单宽流量和下游水深 河床土质等因素综合确定, 且不应小于海漫末端河床冲刷深度 海漫末端河床冲刷计算公式见附录 A 根据上游护底首端单宽流量和上游水深 河床土质等设置上游防冲设施 若设置上游防冲槽, 其深度不应小于上游护底首端的河床冲刷深度 上游护底首端河床冲刷计算公式见附录 A.4 9

11 6 结构设计 6.1 一般规定 消能防冲结构设计应根据水力设计成果, 并结合地质条件和结构受力情况进行稳定 结构和强度计算 设计使用年限及耐久性要求符合 水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范 SL 处理后的地基应满足变形 稳定以及施工条件要求, 并符合环境保护的要求 有抗震设防要求的水闸, 防渗范围内的铺盖 护底等应采用钢筋混凝土结构, 消力池分缝处应加强拉结筋和适当考虑防地基液化沉陷措施 6.2 结构计算 抗渗稳定性消能防冲设施底部的渗流坡降应按 SL 265 要求计算, 验算地基的抗渗稳定性 若考虑排水孔的影响, 其孔径和孔距可采用有限元法进行渗流分析确定 消力池 (1) 底板应根据抗冲和抗浮计算确定厚度, 计算公式见附录 B.1 (2) 末端为突槛或设有消力墩 消力梁的消力池, 尚应进行结构复核 作用于末端突槛 消力墩 消力梁的水流冲击力计算见附录 B.2 (3) 斜坡段为单体结构时, 应复核其抗滑稳定及地基的整体稳定 防冲墙 防冲墙应进行稳定 强度等计算 根据其结构型式, 计算方法可见 SL 379 或 JGJ

12 6.3 结构设计 消力池 (1) 消力池应采用钢筋混凝土结构, 配筋量宜通过计算确定, 满足最小配筋率的要求 底板最小厚度不宜小于 0.5m (2) 对于位于海水环境中的工程, 应采取有效的抗海水腐蚀措施 (3) 消力池底板垂直于水流方向可根据地基条件及地基处理情况设置分段, 分段长度可采用 12m~20m, 并应与下游海漫错缝 (4) 永久缝缝宽宜采用 2cm, 分缝之间应设置拉结钢筋或键槽, 拉结钢筋在分缝中的外露部位应采取可靠的防腐措施 (5) 分缝止水材料宜采用紫铜片, 并与水闸止水系统闭合 海漫 (1) 海漫宜采用混凝土板 扩张金属网箱 混凝土灌砌块石 (2) 海漫厚度按其型式, 一般可采用 0.5m~1.0m (3) 混凝土海漫应根据其平面尺寸大小设置分块, 分块尺寸宜 3m~6m, 块间设置拉筋 ; 并对其表面进行糙化处理, 以增大其与水流的摩擦力 (4) 扩张金属网箱海漫和混凝土灌砌块石海漫, 应设置纵横向的钢筋混凝土框格梁, 框格梁净距可采用 2m~4m, 框格梁深至海漫垫层底部 (5) 扩张金属网箱海漫应严格要求扩张金属网的产品质量, 内填块石应满足抗冲要求 防冲槽防冲槽一般采用块石棱体结构, 粒径应满足抗冲要求, 计算公式见附录 B.3; 深度一般可取 1.5m~2.5m, 防冲槽的抛石量应根据下游河床冲至最深时, 块石可能坍塌的情况确定 11

13 6.3.4 防冲墙 (1) 防冲墙一般可采用混凝土连续墙 排桩等结构型式, 其底部埋深应不小于按 5.3 条规定所计算的冲刷深度 (2) 当在消力池末端设置防冲墙时, 应考虑渗流场变化对闸室和消力池的影响 垫层及反滤排水 (1) 垫层一般可结合反滤排水要求, 采用底层为 150mm~300mm 厚级配砂垫层, 上层为 150mm~300mm 厚级配碎石垫层 (2) 根据地基处理情况, 可采用加大垫层厚度或在垫层底部加设土工格栅处理 (3) 消力池底板的中后部可设置排水孔 12

14 7 安全监测和调度运用设计 7.1 安全监测设计 消能防冲设施的安全监测设计应结合水闸的安全监测设计统一布置 安全监测项目主要包括 : 下游水位 沉降 位移 扬压力 冲刷 淤积 闸下流态等 监测设施布置 (1) 下游水位消力池斜坡段首端可设置水位标尺, 海漫水平段及防冲槽末端宜设置自动水位计及水位标尺 测点应设在便于观测处 (2) 沉降 位移可在消力池尾坎 分区消能的隔墩 消力池岸墙 海漫段岸墙分别埋设沉降标点和布设位移监测点进行监测 (3) 扬压力可在消力池斜坡段 尾坎的底部埋设渗压计进行监测 测压断面不少于 3 个, 每个断面上的测点不少于 3 个 对于侧向绕流的观测, 可在岸墙和翼墙填土侧布置测点 有条件时宜同时设置测压管 扬压力监测的时间和次数应根据闸的上 下游水位变化情况确定 (4) 冲刷 淤积应定期对消能防冲设施进行水下测量和检查 (5) 闸下流态应在消能防冲设施两岸翼墙布设视频监控点, 对闸下流态进行实时监测 安全监测设计应对监测资料的整理分析提出技术要求 7.2 调度运用设计 调度运用设计应根据水闸承担的任务和所在河道的实际情况, 提出调度运 用方案, 并明确水闸的特征水位与流量等基本指标 13

15 7.2.2 根据水力设计成果, 提出水位 流量及开度关系曲线, 确定闸门启闭顺序和开度 水闸的运行过程中, 应结合河床下切等因素引起的特征水位变化, 及时更新闸门操作规程 应提出汛期巡视检查要求, 明确对消能防冲设施的流态进行定点观察和影像记录 每年在汛后应对大型水闸消能防冲设施进行水下测量和检查 14

16 附录 A 消能防冲水力计算 A.1 消力池计算 A.1.1 消力池深度可按公式 (A.1.1-1)~(A.1.1-4) 计算 ( 计算示意图见图 A.1.1): 图 A.1.1 d h h c 3 c 0 h c h s Z c q b gh c b2 h T h 2 0 c 2 q 2 2g 0 2 q 1 1 Z g h s h c (A.1.1-1) (A.1.1-2) (A.1.1-3) (A.1.1-4) 式中 : d 消力池深度 (m); 0 水跃淹没系数, 可采用 1.10; h c 跃后水深 (m); h c 收缩断面水深 (m); 水流动能校正系数, 可采用 1.05; q 过闸单宽流量 (m 3 /s m); 15

17 b 1 消力池首端宽度 (m); b 2 消力池末端宽度 (m); T 0 由消力池底板顶面算起的总势能 (m); 收缩断面流速系数 ; ω 消力池出池流速系数, 取 ω=0.95; Z 出池水流落差 (m); h s 出池河床水深 (m) A.1.2 消力池长度可按公式 (A.1.2-1) 和公式 (A.1.2-2) 计算 ( 计算示意图见图 A.1.1): Lsj Ls L j (A.1.2-1) L j 6.9( hc hc ) (A.1.2-2) 式中 : L sj 消力池长度 (m); 取值 : L s 消力池斜坡段水平投影长度 (m); 水跃长度校正系数 ; L j 水跃长度 (m) 水跃长度校正系数 可根据下列的两种水闸运行水力条件 ( 见图 A.1.2), 分别 (1) 当水闸闸门全开 最大泄洪流量的 h s /H 0.8 条件下, 采用水闸上游为 正常蓄水位 水闸闸门控泄最大开度泄洪流量条件计算消力池长度时, 水跃长度 校正系数 β 采用 1.0 (2) 当水闸最大泄洪流量的 h s /H<0.8 按水闸最大泄洪流量计算下游消力 池长度时, 水跃长度校正系数 β 采用 0.7~0.8 式中 : h s 堰顶起算的下游水深 ; H 堰顶的上游水深 16

18 图 A

19 A.2 尾坎自由出流的消力池计算 A.2.1 尾坎自由出流的消力池产生临界稳定水跃的 T/h 1 ~Fr 1 关系可按公式 (A.2.1) 计算 ( 计算示意图见图 A.2.1): (0.28~0.4 ) Fr Fr 1 T (0.4~0.55 ) Fr 1 3< Fr 1 hc 0.55Fr 1 6< Fr (A.2.1) 式中 : T 尾坎高度 (m); h c 收缩断面水深 (m); F r1 收缩断面水流佛劳德数 计算时可由 Fr 1 值按线性插值计算出各公式的系数, 然后再计算相应的 T/h 1 值 图 A.2.1 L / L j A.2.2 消力池水平段相对池长可按公式 (A.2.2) 计算 ( 计算示意图见图 A.2.1): L 1.3~1.0 ( T H1)/ hc 0.9~1.0 L j 1.0~0.8 ( T H1)/ hc 1.0~1.2 (A.2.2) 式中 : L 消力池水平段长度 (m); L j 水跃长度 (m); T 消力池尾坎高度 (m); H 1 消力池尾坎顶水深 (m); 18

20 h c 跃后水深 (m); 计算时, 根据设计洪水条件的 F r1 值, 可由公式 (A.2.1) 初步选取消力池末端 尾坎高度 T, 然后计算出尾坎顶水深 H 1, 并适当调整尾坎高度 T 值, 使尾坎相对 ( T H ) / 1.15~1.2 淹没度 1 hc, 其相对池长 L/L j 相应可取 0.85~0.8 A.3 海漫长度计算 A.3.1 当 q s H 1~9, 且消能扩散良好时, 海漫长度可按公式 (A.3.1) 计算 : L p K s q s H (A.3.1) 式中 : L p 海漫长度 (m); q s 消力池末端单宽流量 (m 3 /s m); K s 海漫长度计算系数, 可由表 A.3.1 查得 表 A.3.1 河床土质粉砂 细砂中砂 粗砂 粉质壤土粉质粘土坚硬粘土 K s 14~13 12~11 10~9 8~7 K s 值 A.4 河床冲刷深度计算 A.4.1 海漫末端的河床冲刷深度可按公式 (A.4.1) 计算 : qm d m 1.1 hm [ v0 ] (A.4.1) 式中 : d m 海漫末端河床冲刷深度 (m); q m 海漫末端单宽流量 (m 3 /s m); v 0 河床土质允许不冲流速 (m/s); h m 海漫末端河床水深 (m) 19

21 A.4.2 上游护底首端的河床冲刷深度可按公式 (A.4.2) 计算 : q m d m 0.8 h m [ v0 ] (A.4.2) 式中 : d m 上游护底首端河床冲刷深度 (m); q m 上游护底首端单宽流量 (m 3 /s m); h m 上游护底首端河床水深 (m) 20

22 附录 B 消能防冲结构计算 B.1 消力池底板厚度计算 B.1.1 消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求, 分别按公式 (B.1.1-1) 和 (B.1.1-2) 计算, 并取其大值 抗冲 抗浮 t t k q H 1 (B.1.1-1) U W P k m 2 b (B.1.1-2) 式中 t 消力池底板始端厚度 (m); H 闸孔泄水时的上 下游水位差 (m); k 1 消力池底板计算系数, 可采用 0.15~0.20; k 2 消力池底板安全系数, 可采用 1.1~1.3; U 作用在消力池底板底面的扬压力 (kpa); W 作用在消力池底板顶面的水重 (kpa); P m 作用在消力池底板上的脉动压力 (kpa), 其值可取跃前收缩断面流速 水头值的 5%; 通常计算消力池底板前半部的脉动压力时取 + 号, 计算消力池底 板后半部的脉动压力时取 - 号 ; b 消力池底板的饱和重度 (kn/m 3 ) t 消力池底板末端厚度, 可采用 2, 但不宜小于 0.5m B.2 动水压力计算 B.2.1 作用在消能防冲结构过流面一定面积上的动水压力, 应按该面积上各点动水压强的合力计算 动水压力一般只计时均压力, 但位于消力池或水流脉动影响结构的安全或引起结构振动时, 尚应计及脉动压力 21

23 对于重要的或体形复杂的水工建筑物, 其动水压力宜通过模型试验测定并经综合分析确定 B.2.2 计算动水压力时, 应区分恒定流和非恒定流两种水流状态 对于恒定流, 尚应区别渐变流或急变流等不同流态, 并采用相应的方法计算 渐变流的时均压强, 可根据相应设计状况下的水流条件, 通过计算或试验求得水面线后按下式计算, 计算示意图见图 B.2.2 图 B.2.2 时均压强计算示意 (B.2.2) B.2.3 作用在消力池水平护坦上的时均压力, 可近似等于相应断面的静水压力 对于不设消力墩的护坦, 可取跃首与跃尾之间水面线连一直线, 作为近似的水面线, 用以估算时均压力 对于设有消力墩的护坦, 墩下游护坦的时均压力可按跃后水深估算, 墩上游护坦的时均压力可取跃后水深的一半 B.2.4 水流对消力池尾坎或消力墩的冲击力可按下式计算 : (B.2.4) 22

24 B.3 块石粒径计算 B.3.1 在水流作用下, 块石保持稳定的抗冲粒径 ( 折算粒径 ) 可按下式计算 : (B.3.1) (B.3.2) 23

25 附录 C 水工物理模型试验技术要求 1 工程概况 (1) 对工程前期情况进行必要的介绍 (2) 工程的建设任务 规模 等别 建筑物级别 设计标准 调度运用方式等 2 水文 气象基本资料 (1) 工程区域水位 - 流量关系 (2) 特征频率的洪水位及相应下泄流量 (3) 其他相关水文资料 (4) 水流含沙量 泥沙颗粒级配及河床糙率等 ( 必要时 ) (5) 工程区域气象资料 ( 必要时 ) 3 地形 地质资料 (1) 模拟范围内的地形 地貌资料 ( 地形图比例不宜小于 1:2000) (2) 泄水建筑物下游河床及岸坡的地质资料 ( 必要时 ) 4 工程设计资料 (1) 枢纽布置 (2) 泄水建筑物布置及体型 (3) 消能防冲布置 (4) 下游河道防护措施 (5) 枢纽及泄水建筑物运行工况和要求 (6) 其他 24

26 5 水工模型试验任务 ( 根据具体工程选用增减 ) (1) 流态观测定性描述模型试验水流流态, 说明回流区 涡流 折冲水流 分离水流 水翅 跌水 壅水等现象及其范围 强弱等特征 (2) 水位与水面线测量测量模型区域的水位与水面线 (3) 泄流能力测试 a 测量全开和局开的泄流能力 b 计算堰流或孔流的流量系数 淹没系数 c 给出水位 - 流量关系曲线 (4) 流速 流向观测观测 xx 范围 区域内的流速 流向 (5) 时均压力测量测量 xx 建筑物时均压力 (6) 脉动压力试验测量 xx 建筑物脉动压力 (7) 局部冲淤试验 (8) 水面波动测量在水面波动剧烈区 重点岸坡 电厂尾水或通航区等部位开展水面波动测量 (9) 风速测量测量泄水建筑物通气设施的风速, 评估通气设施的合理性 6 技术要求 (1) 模型比尺按照规程要求 (2) 整体和断面模型要求 (3) 定床和动床的要求 (4) 对设计方案提出修改优化后的成果 25

27 7 提交试验成果及时间要求 ( 对模型试验成果格式和时间等提出具体要求 ) 7.1 时间要求 XX 年 XX 月 XX 日前提交断面模型试验中间成果 ; XX 年 XX 月 XX 日前提交断面模型试验最终成果 ; XX 年 XX 月 XX 日提交整体模型试验中间成果 ; XX 年 XX 月 XX 日提交整体模型试验最终成果 7.2 成果要求试验成果应满足 SL 155 的要求, 图文并茂, 附有必要的彩照 中间成果一式 X 份 ; 最终成果一式 X 份 ; 另提交记录试验全过程的光盘 X 份 26

28 水闸序号 闸堰顶高程 (m) 上游正常水位 (m) 上游设计水位 (m) 下游设计水位 (m) 附录 D 广东省部分已建水闸消能防冲设施情况 长度 (m) 深度 (m) 消力池 斜坡段坡度 底板厚度 (m) 海漫长度 (m) 防冲槽深度 (m) 地基特性 : 中粗砂 2005 年建成, 海漫采用扩张金属网箱 : 含砾粗砂 一级 27 二级 37.4/34.4 一级 2.0 二级 1.5/1.0 ( 中区 / 边区 ) 1:4 1:2.9/ 1: / 含砾中粗砂 中细砂 : 淤泥层 备注 2007 年建成, 海漫采用砼框格固定干砌石 设 2 级消力池 左 中 右分区消能 海漫采用砼框格格宾石笼 ( 在建项目 ) 挡潮闸,2015 年建成, 海漫采用格宾石笼 : 细 - 中粗砂 2007 年建成, 钢筋混凝土海漫 : 细 - 中粗砂 二级 ( 损坏前为 1.5) 原 1.5 1:4 1:4 1:6 原 1: 原 增设 2 级消力池后取消防冲槽, 设防冲墙 2006 年建成,2016 年汛期海漫损毁, 修复后投入运行 干砌石海漫 2005 年建成后海漫损毁,2007 年修复淤质砂淤质黏土加高 1 级消力池尾槛 1.0m 格宾石笼海漫 2010 年建成,2013 年消力池局部损毁 54 3 含卵石砾质粗砂后海漫段增设消力墩 混凝土海漫 : 砂卵砾石 2012 年建成, 扩张金属网箱海漫 : 中细砂粉细砂 2012 年建成, 钢筋砼海漫 :4 1.5~1.0 12~35 2 全风化土层 2010 年建成, 钢筋混凝土海漫 :4 42 防冲墙砂基 2014 年建成, 砼框格金属网箱海漫 : 砂基 2013 年建成, 钢筋砼海漫 淤泥质黏土 黏土 2008 年建成, 混凝土海漫 : 年建成, 砼框格金属网箱海漫 淤泥质黏土及砂层 2016 年建成, 砼框格灌砌石海漫 27

29 本规程用词说明 (1) 为了便于在执行本规程条文时区别对待, 对要求严格程度不同的用词说明如下 : 1) 表示很严格, 非这样做不可的用词 : 正面词采用 必须 ; 反面词采用 严禁 2) 表示严格, 在正常情况下均应这样做的词 : 正面词采用 应 ; 反面词采用 不应 或 不得 3) 表示允许稍有选择, 在条件允许时首先这样做的词 : 正面词采用 宜 ; 反面词采用 不宜 4) 表示有选择, 在一定条件下可以这样做的, 采用 可 (2) 规程中指定应按其它有关标准 规范执行时, 写法为 : 应符合 的规定 或 应按 的规定 28

30 广东省地方标准 软基水闸消能防冲设计规程 DB44/T XXX-XXXX 条文说明 29

31 目次 1 总则 建筑物级别与闸下水位流量 消能防冲布置 水力设计 结构设计 安全监测和调度运用设计

32 1 总则 1.1 广东省濒临南海, 平原 滨海区内河网纵横交错, 修建有大量的水闸工程用于防洪 排涝 拦潮 供水 灌溉 发电等, 随着社会和经济发展的需要, 以及改善水环境等生态治理要求, 今后还将会新建和改扩建一大批水闸工程 这些水闸工程大多数修建在软弱地基上, 其抗冲刷能力低 容许承载力小 沉陷量大且延续时间长 对不均匀荷载的反应相当灵敏, 加上不少水闸的运用工况也较复杂, 以致对水闸的消能防冲设施要求高 调查已建水闸工程的失事损毁原因, 多为地质条件不好 河床下切 运行调度不当引起冲刷破坏而造成 为提高设计水平, 确保工程质量, 在经过调查研究, 总结平原 滨海区已建水闸工程的经验, 以及在水利行业标准 SL 265 的基础上, 制定出符合广东省水文条件 地质条件 运用方式等地方特点的水闸消能防冲设计标准很有必要 1.2 根据调查, 广东省在平原 滨海区已建的大 中型水闸工程, 所承受的水头都不高, 闸下跃前水流佛劳德数较低, 且一般是在软弱地基上建闸, 河床及岸坡抗冲刷能力低, 基本上都是采用底流式水跃消能 其它消能布置型式的设计可按 SL 265 和参考有关技术标准 1.3 水闸消能防冲设计只是水闸设计的一部分, 应与闸室布置 防渗排水设置 地基处理方案等一并统筹考虑, 在可靠的防渗排水方案和考虑下游河床变化对闸下水位影响的基础上开展消能防冲设计 消能防冲与上下游水位差 单宽流量 下游水深等水力条件有关, 人类无序的活动加剧了天然河床的下切, 分析失事的水闸, 河床下切引起闸下水位流量关系变化是原因之一 故消能防冲设计应考虑下游河床变化对闸下水位的影响 31

33 3 建筑物级别与闸下水位流量 水闸的等别与洪水标准依据 SL 252 确定 泄放小于消能防冲设计洪水标准的流量时, 可能出现对消能防冲设计不利的情况 比如 : (1) 当发生低于设计洪水标准的洪水 水闸上游保持正常蓄水位或汛期限制水位 水闸部分开启时, 虽然过闸流量不大, 但下游水深较浅, 上 下游水头差大, 可能对消能和消能设施的安全是不利的 (2) 当发生低于设计洪水标准的洪水 水闸上游水位高于正常蓄水位或汛期限制水位且低于设计洪水位 闸门按照调度规则部分开启时, 过闸流量较大, 水闸上下水头差也较大 我省各潮位站一般都有几十年的实测资料, 实测最低潮位一般都低于 5 年一遇最低潮位, 但两者相差不大 为使用方便起见, 采用实测最低潮位 一般情况下, 引水养殖 改善水环境等, 闸内都有一定水深 水深应按实测或调查确定 无资料时, 可按水深 1m 考虑 对于既排水又引水的水闸, 应考虑双向消能 近几十年的实际情况表明, 河道下切 水位下降是很普遍的现象, 应充分估计闸下水位下降对消能设施安全的不利影响 引起河道下切的因素较多, 一般可从以下几个方面考虑 : 上游来沙量是否会减少 是否会产生清水冲刷 是否会产生溯源冲刷 是否会有采砂 是否会有河道疏浚等 采砂往往会导致河道大幅下切, 而且下切的幅度往往会超出预期 我省部分河段河床下切深度达十几米, 导致河段水位大幅下降 某些水闸闸下一定范围内的河段受到严格保护, 没有采砂 但在保护范围之外的河段由于采砂导致河床下切较多, 在河床溯源冲刷的作用下, 闸下河段水位仍然会下降 在水闸消能设施的设计中, 在河床有可能下切的河段, 建议闸下水位流量关系曲线按下移 2m 以上考虑 32

34 3.3.4 必要时 是指消能设施的投资占整个工程的投资比重较大 消能设施的破坏会引起较的大损失时 这种情况下, 应开展专题论证, 以经评审后的专题论证结论作为消能设施设计的依据 如果河床下切 闸下水位下降对消能设施的工程量影响较大, 可分析分期建设消能设施的合理性 33

35 4 消能防冲布置 4.1 闸址选择和枢纽布置时, 要注意到各泄水建筑物之间的相互影响, 船闸 泵站或水电站与水闸的相对位置, 应能保证满足水闸通畅泄水及各建筑物安全运行的要求 比如水闸与船闸, 水闸的泄流不能影响到船闸附近船舶安全行驶 4.2 根据调查资料分析, 我省水闸消能设施的损毁主要原因之一是河床下切, 导致下游流量与水位关系曲线变化 因此消能防冲设施布置时应对河床下切趋势有合理的判断 另外水闸闸下附近河道的地形地质条件, 是否产生偏流或易受冲刷, 对消能防冲的布置都有一定影响 4.3 根据我省水闸的调查资料, 我省平原区 滨海区已建的大 中型水闸, 基本上都是采用底流式水跃消能 因为在平原 滨海区, 水闸一般是兴建在软土地基上, 河床及岸坡抗冲能力较低, 且承受水头不高, 闸下跃前水流佛劳德数较低, 因此宜采用底流式水跃消能 底流式消能一般包括消力池 海漫及末端的防冲槽 ( 墙 ), 因为消力池后水流仍具有部分剩余能量, 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, 故消力池后还需设置海漫和防冲槽 ( 或防冲墙 ) 我省部分大 中型水闸消力池 海漫 防冲槽的主要尺寸见规范附录 D 4.4 下挖式消力池 突槛式消力池或综合式消力池是底流式消能的三种主要型式, 其作用是增加下游水深, 以保证产生淹没式水跃 根据水工模型试验研究资料, 如果下挖式消力池 突槛式消力池或综合式消力池设计得当, 可消杀水流全部动能的 40%~70% 据有关资料, 当闸下尾水深度约大于 90% 跃后水深时, 可采用突槛式消力池消能 当闸下尾水深度小于 50% 跃后水深, 且计算消力池深度又较深时, 可采用综合式消力池消能 其他情况下一般采用下挖式消力池 4.5 下挖式消力池或综合式消力池与闸室底板的连接, 常用坡度为 1:4~1:5 如坡度过陡, 出闸水流流速较大时, 水流将脱离斜坡面产生局部负压, 以致损坏结 34

36 构 当水跃发生在消力池的斜坡段时, 斜坡段存在较大的脉动压力, 对斜坡段受力不利, 因此斜坡段与水平段之间不宜分缝 当确需分缝时, 建议伸缩缝设置在水平段, 并复核消力池斜坡段的稳定性 4.6 消力池内可加设尾槛 趾墩 消力墩 消力梁等辅助消能工, 其作用是促成水跃, 提高消能效果, 减少消力池的长度和深度, 降低尾槛高度 消力池尾槛宜设置斜坡式尾槛, 将出池水流挑向水面 由于辅助消能工选用的布置型式和尺寸有所不同, 其主要作用也不同 对大型水闸, 如采用辅助消能工, 其布置型式和尺寸应通过水工模型试验确定 4.7 水闸上 下游水位差较大, 且尾水深度较浅时, 计算需要的消力池深度较大, 如仍采用一级消能, 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, 而且消力池池底的扬压力也很大, 消力池的稳定需慎重对待 但采用二级消力池消能, 可较好地决上述问题, 消能防冲的工程量也不会显著增加 4.8 我省部分水闸, 通过模型试验, 在两级消力池之间陡坡段设置阶梯跌坎 消力坎等辅助消能工, 增大了陡坡段泄流消能率, 降低了下游二级消力池的入池流速, 达到减小二级消力池规模的目的 4.9 对于大型多孔水闸, 在控制运用中经常只需开启部分闸孔, 或部分闸孔底板高程不同, 这时可根据需要设置隔墩或导墙, 采用不同的消力池底板 尾槛高程进行分区消能防冲布置, 以改善下游流态 隔墩或导墙的长度可至消力池末端, 必要时宜通过模型试验确定 4.10 根据原南京水利实验处的试验资料, 海漫倾斜坡度建议采用 1:6~1:10 如果坡度过陡, 虽可节省工程量, 但斜坡上很容易产生旋涡, 反而会影响在垂直方向的水流扩散或造成单宽流量集中的现象, 达不到增加水深 减少流速 调整流速分布 提高防冲效果的目的 结合我省已建水闸的情况, 规定海漫宜做成缓于 1:10 的斜坡 若消力池尾坎出池流速值较大, 可将海漫总长度的 1/3~1/2 的上游段做成刚性海漫 4.11 为防止水流冲刷, 海漫末端应设防冲槽 防冲槽的深度一般采用 1.5m~ 35

37 2.5m, 防冲槽的上 下游边坡坡度可采用 1:2~1:4, 两侧边坡坡度可与两岸河坡相同 对挡潮闸或预计下游河床冲刷较深的水闸, 可在海漫末端设置垂直向下的防冲墙, 防冲墙底部低于可能的冲刷深度 可采用钢筋混凝土墙 高喷墙 搅拌桩连体墙或混凝土板桩等型式 当防冲墙布置在消力池末端时, 可能导致水闸底板渗透压力的增加, 须进行渗流复核计算 4.12 水闸两岸联接结构主要是指岸墙和翼墙结构 ; 如果闸室两侧未设置岸墙, 则边闸墩也可视为水闸两岸联接结构的一部分 直墙式结构即为迎水面直立的水工挡土墙结构 水工挡土墙的结构型式有重力式 半重力式 衡重式 悬臂式 扶壁式和空箱式等, 但在水闸工程中应用最多的是重力式 悬臂式 扶壁式和空箱式等 4.13 水闸下游翼墙的平均扩散角不宜过大, 否则出闸水流将脱离翼墙临水面, 两侧出现回流, 压缩主流并使之更为集中, 使下游河道遭受冲刷 4.14 根据已建水闸工程的调查资料, 不少水闸建成后, 由于闸门的控制运用不当, 超标准行洪, 以及其他方面的一些原因, 常使水闸下游防护范围以外部位遭受不同程度的冲刷, 为此在管理维修时又不得不将护坡长度适当延长 因此本规程规定护坡长度应大于护底 ( 海漫 ) 长度 36

38 5 水力设计 5.1 消力池计算 在消力池水力计算中, 可按消力池的末端尾坎顶高程 深度 长度的顺序进行水力计算, 确保消力池水跃消能充分和出池水流与下游河道水流良好地衔接 世纪 90 年代以来的一段时期, 由于广东省经济建设的快速发展, 对河道的采砂量日益增多, 虽然对部分河道实行禁止采砂, 但目前广东省内部分河道仍存在河床下切 水位下降的趋势 因此, 应考虑水闸建成后上 下游河道河床可能发生的冲刷或淤积状况, 在确定水闸工程有效运行期的水位 Z t ~ 流量 Q 关系 ( 即 Z t ~Q 关系 ) 的上 下极限值 ( 即上 下包络线 ) 之后, 采用 Z t ~Q 关系族线的下包络线进行消力池设计 如在广东省韩江高陂水利枢纽工程设计中, 经过对历年的水闸闸址下游河道 Z t ~Q 关系进行综合分析之后, 采用现状河床下切 2.0m 的 Z t ~Q 关系作水闸下游消能工设计依据 在水闸消能设计的下游河道 Z t ~Q 关系 ( 即 Z t ~Q 关系族线的下包络线 ) 确定之后, 其消能工设计的下游河道初始水位值 Z 0 可考虑以下因素选取 : (1) 若水闸枢纽无水电站建筑物, 可选取水闸不泄流 ( 即水闸下泄流量 Q=0) 对应的下游河道水位为消能工设计的初始水位值 Z 0 (2) 水闸枢纽设置有水电站建筑物条件下, 由于水电站的建成往往滞后于水闸建筑物, 在水闸上游为正常蓄水位 ( 或设计确定的特征水位 ) 闸门小开度初始泄流运行时, 水闸下游河道水位较低, 为了确保工程的安全运行, 新建的水闸枢纽可考虑电站不发电, 选取相应的水闸下游河道水位 ( 即水闸下泄流量 Q=0) 为水闸初始泄流运行的初始水位 Z 0 (3) 已建的水闸除险改造工程经分析论证之后, 可选取电站最小发电流量 ( 如电站有多台发电机组, 可选用单台机组发电运行流量 ) 对应的闸下游河道水位为水闸初始泄流运行的初始水位 Z 0 影响消力池水力条件的因素较多, 消力池的流态复杂多变 影响消力池体型参数设计的主要因素有 : 水闸上 下游水位差, 过闸单宽流量, 尾坎下游河床水 37

39 深, 闸门开启程序 开启闸孔数 开度 开启速度等 在消力池设计时, 应对水 闸可能出现的各种水力条件及最不利的下游河道水位情况 ( 如泄水闸初始泄流情 况 挡潮闸在闸下游设计的低潮位泄流情况等 ) 进行分析和计算, 以选定消力池 的末端尾坎顶高程 深度 长度和底板厚度等 在计算水闸闸门控泄运行 ( 上游 水位为正常蓄水位或设计确定的特征水位 ) 的各级闸门开度 e 相应的消力池参数 时, 应考虑下游河道水位升高滞后于泄量增大的情况, 选用相应于前一级闸门开 度泄量的下游河道水位进行计算 底流消能是水闸泄流消能常用的一种方法, 它适用于各类地质条件的中 低水头的泄水闸 现有的 SL 265 和有关的水力计算手册 ( 如 水力计算手册 ( 第 二版 ), 武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室, 李炜主编 ) 给出了水闸下 游消力池体型和水力参数的计算公式 水闸下游消力池计算公式见附录 A.1 (1) 消力池末端尾坎顶高程的确定, 应在可能出现的各种水力条件下, 在确 保消力池末端尾坎顶断面水流为缓流 ( 即尾坎下游海漫段水流佛劳德数 Fr<1) 尾坎顶断面出流流速小于尾坎下游海漫段材料抗冲流速的条件下, 初拟消力池末 端尾坎顶高程 ; 并通过反复计算和比较, 确定最终的消力池末端尾坎顶高程 (2) 在消力池深度计算公式中, 考虑了扩散式消力池水流扩散和出池水流落 差的影响, 在工程设计计算中, 可不考虑消力池水流扩散的影响, 是偏于安全的 ; 同时, 计算公式中要求出池下游河床水深大于临界水深, 否则消力池下游出现急 流流态, 计算的消力池深度结果不合理 且不符合消能设计的要求 (3) 在消力池长度计算公式中, 消力池长度包括消力池上游斜坡段水平投影 长度和消力池平底段长度两部分 消力池上游斜坡段水平投影长度与消力池斜坡 段坡度和平底段高程有关 通常, 为了防止斜坡段产生负压, 要求消力池上游斜 坡段的坡度不陡于 1:4 消力池平底段长度与水跃长度有关 水跃长度计算公式 采用 SL 265 推荐的计算公式, 见公式 (A.1.2-2) h 在消力池深度 d 和长度 L sj 计算中, 都与跃后水深 c h 有关, 而 c 与收缩断面 h 水深 c h 有关 计算 c 的流速系数 φ 一般可采用 0.9~0.98, 从工程运行安全考虑, 计算中应选用较大的 φ 值 38

40 ( hc hc h 由公式 (A.1.2) 分析, 消力池长度 L sj 随跃后水深 c h 与收缩断面水深 c 的差值 ) 增大而增加, 因此, 消力池长度随水闸泄洪流量增加而增大, 其通常可 由水闸最大泄洪流量来确定 对于平原地区河流或闸上 下水位差较小的水闸, 在水闸最大泄洪流量泄流时, 其上 下游水位差较小 ( 如一般情况下, 平原区水闸的过闸水位差可采用 0.1~0.3m( 见 SL 265), 出闸水流多呈波状流流态, 水闸下游消力池无水跃产生 此时, 按照水闸最大泄洪流量计算的消力池长度会明显偏大, 造成工程量增加和投资浪费 广东省水利水电科学研究院通过水工模型试验表明, 在水闸闸门全开 泄流量一定的条件下, 水闸下游流态和水跃长度与闸下游河道水位有关 : 1) 在水闸闸门全开 宣泄最大泄洪流量条件下, 若 h s /H 0.8(h s 为堰顶起算的下游水深,H 为堰顶的上游水深 ), 出闸水流为临界淹没出流或淹没出流状态, 水闸下游水跃长度较短或呈无水跃状态, 此时, 可采用水闸上游为正常蓄水位 Z 水闸闸门控泄最大开度 e m 泄洪流量计算闸下游消力池长度, 初选消力池池长 在这种运行条件计算水闸下游消力池长度时, 为了确保水闸下游消力池运行的安全, 计算中闸门控泄最大开度 e m 对应的水闸下游河道水位 Z t 应选取前一级闸门开度泄流稳定之后的下游水位 ; 同时, 消力池平底段长度 βl j 的水跃长度校正系数 β 应取 1.0 在实际计算中, 为了方便正常蓄水位 闸门控泄条件下的消力池水平段长度的计算和选取, 也可以根据水闸闸门控泄的各级开度 e 分别计算水闸下游消力池的长度 ( 计算中, 第一档开度运行时对应的闸下游河道水位为下游河道初始水位 Z 0, 其余各档开度运行的下游河道水位为前一档闸门开度运行稳定之后的下游河道水位 ), 并以计算的下游消力池长度最大值 ( 此值通常由闸门控泄的最大闸门开度 e m 来确定 ), 选取消力池池长 2) 对于水闸最大泄洪流量的 h s /H<0.8 条件下, 可按设计规程计算水闸下游消力池的长度 对于大型水闸或水流条件复杂的中型水闸的下游消力池布置和体型尺寸, 应通过水工模型试验论证 消力池底板厚度的计算公式, 可参照 SL 265 中的计算公式 根据已建水闸 39

41 工程的实践经验, 消力池底板末端厚度不应小于 0.5m 通常可根据水闸泄流落差 闸址地形和地质条件 两岸翼墙和堤围的安全 工程施工和投资等, 选择修建一级或两级消力池 一般来说, 选择修建一级消力池, 其工程投资相对较省, 工程运行管理较方便 但目前由于众多的水闸下游河道河床下切 水位降低, 造成水闸下游消能工出险, 需进行除险改造, 水闸下游消能工除险改造在以下两种情况下, 可以优先考虑采用两级消力池布置 :1) 现状消力池修复或加固改造后仍可以利用 ;2) 若现状消力池无法使用, 但闸下游采用一级消力池布置会使消力池两岸端翼墙过高 影响两岸堤围的稳定和安全, 或工程投资过大 施工困难等 因此, 以上的两种情况可在现状消力池修复 加固改造或重建的基础上, 在其下游增设二级消力池, 采用分级消能以确保工程的安全运行 在实际工程运行中, 由于部分水闸下游河道水位降低较为明显, 因此, 在水闸各级洪水流量泄流条件下, 其下游一级消力池 ( 即经修复和加固改造后的原水闸下游消力池 ) 末端尾坎出流多呈自由出流, 池内流态相对较复杂 根据广东省水利水电科学研究院近年来的研究成果 ( 见 池末尾坎自由出流的消力池布置研究, 水利水电科技进展,2016 年, 第 36 卷第 3 期 ), 得出了尾坎自由出流的消力池内形成临界稳定水跃的尾坎高度 T 水平段池长 L 的计算公式 ( 见附录 A.2) 计算公式得到了广东省普宁市乌石拦河闸除险改造工程 饶平县高堂拦河闸重建工程 潮州供水枢纽东溪和西溪拦河闸除险改造工程等水工模型试验成果的验证 水闸下游采用两级消力池布置时, 为了使一级消力池内形成稳定的水跃, 可将一级消力池末端尾坎顶高程加高至高于水闸闸室堰顶高程 为了判别一级消力池尾坎加高后是否会影响水闸的泄流能力, 作如下的分析 : 通常确定水闸泄流能力和规模的闸址水位 ~ 流量关系是采用高水工况的水位 ~ 流量关系曲线 ( 或称设计洪潮水面线 ), 此时, 水闸上 下游水位差一般较小 ( 如平原区水闸的上 下游水位差 Z 0.3m), 水闸闸孔断面设置了多个闸墩, 缩窄了闸孔断面的过流面积, 且水闸闸孔泄流的侧收缩影响要明显大于一级消力池末端尾坎顶水流侧收缩影响, 因此, 在设计洪水频率和校核洪水频率的下游河道水位条 40

42 件下, 只要一级消力池末端尾坎顶过水断面面积大于或接近水闸闸孔过水断面面积, 则一级消力池末端尾坎顶加高就不会影响水闸的泄流能力 本条研究成果得到了潮州供水枢纽东溪和西溪拦河闸除险改造工程 广州市流溪河李溪拦河闸坝除险改造工程等水工模型试验成果的验证 5.2 海漫长度计算 对于海漫的长度的计算, 本规程仍采用 SL 265 推荐的计算公式, 该公式为 南京水科所提出的经验公式, 见公式 (A.3.1) 设计计算中, 应注意该公式的适 用条件 : q s H 1~9, 且消能扩散良好 ; 同时, 还应根据水闸运行可能出 现的不利水位 流量组合进行计算确定 海漫的作用是消减消力池出池水流的剩余能量, 使水流均匀地扩散, 调整流 速分布, 减小下游河床的冲刷 目前, 消力池下游海漫布置有两种形式 :1) 消力 池尾坎下游连接一段水平海漫之后, 再接斜坡海漫 ( 坡度约 1:10~1:15) 防冲槽 和下游河床 ;2) 消力池尾坎下游直接接斜坡海漫 ( 坡度约 1:15~1:20) 防冲槽 和下游河床 由于广东省现状的水闸下游河道河床下切 水位下降的趋势仍在发 展, 增大了消力池末端尾坎的出池流速, 同时也改变了出池流速分布, 增加了消 力池下游水平海漫破坏的可能性 ; 同时, 受工程施工和投资等条件限制, 各级洪 水流量条件下的消力池末端尾坎顶与其下游河道水位之间的水垫厚度不很充裕, 出池流速往往较大 因此, 应设法尽快调整和降低消力池末端尾坎下游出流的底 部流速, 避免出池水流对下游海漫产生冲刷破坏 广东省水利水电科学研究院对不同的海漫布置形式的流速分布进行了水工 模型试验比较, 在同一泄流条件下, 消力池尾坎下游水平海漫底部流速比池尾坎 下游斜坡海漫 ( 坡度 1:20) 相同位置的流速增大约 20%~30% 这表明, 消力池下 游水平海漫易遭受冲刷破坏 ( 低水头拦河闸下游消力池布置探讨, 广东水利水 电,2012 年, 第 11 期 ) 近年来, 经广东省水利水电科学研究院水工模型试验论证后, 广东省的多个 水闸消力池的下游海漫布置取消了水平海漫段, 在消力池尾坎末端下游直接采用 1:15~1:20 的斜坡海漫连接防冲槽及下游河床, 已建的工程运行情况良好 41

43 5.3 河床冲刷深度计算 水闸泄流经消力池消能 海漫段消减余能和调整之后, 海漫末端的流速分布尚未完全接近正常分布状态, 海漫末端仍会产生冲刷现象, 因此需在海漫末端设置防冲槽 防冲槽的深度由海漫末端的河床冲刷深度而决定, 本规程仍采用 SL 265 推荐的计算公式 由实际工程的计算分析, 按公式 (A.4.1) 计算的海漫末端河床冲刷深度往往较大, 按此河床冲刷深度计算值设计下游防冲槽, 工程量太大 且施工较困难 参照已建水闸工程的实践经验, 海漫末端防冲槽深度一般可采用 1.5~2.5m 对于水闸上游护底首端河床冲刷深度的计算, 本规程仍采用 SL 265 推荐的计算公式, 见公式 (A.4.2) 参照已建水闸工程的实践经验, 上游防冲槽深度一般可采用 1.0~1.5m 对于重要的水闸工程, 建议其防冲槽深度和长度设计成果应经水工模型试验验证 42

44 6 结构设计 消能工地基稳定性计算应充分重视消能工斜坡段的地基抗滑稳定 施工期开挖边坡稳定 施工设备及施工过程对地基稳定的影响 地基渗流稳定应满足 SL 265 的要求 地基变形稳定应满足以下要求 : (1) 地基变形不导致拉裂消能工结构止水, 或不导致结构分缝变宽引起分缝部位的冲刷破坏 ; (2) 地基变形不导致消能工结构改变流态, 导致产生负压等不利影响 ; (3) 相邻结构之间的变形 结构与地基之间的变形应协调 地基处理设计方案应根据地基情况 消能工结构特点 施工条件和运用要求, 并综合考虑地基 与水闸其它结构的相互协调, 经技术经济比较后确定 地基处理设计方案应避免地基处理污染地面水和地下水或损坏周围已有建筑物, 防止振动噪音对周边环境产生不良影响 对处理后的地基, 还应按照处理后的消能工地基边界条件进行渗流稳定验算 6.2 结构计算 抗渗稳定性主要计算消能防冲设施底部的渗流坡降, 以判断消能防冲地基是否产生破坏, 并为反滤垫层的设计提供依据 水闸渗漏量以及消力池排水孔孔径和孔距可采用有限单元法计算确定 计算时, 排水孔可考虑作为碎石体进行建模 消力池计算消力池底板厚度时, 应评估上游防渗措施及消力池底板排水设施的可靠度, 对扬压力进行修正, 否则易发生因上游防渗措施或消力池底板排水设施失效使扬压力增大, 导致消力池底板厚度不足 43

45 6.2.3 防冲墙 防冲墙可采用混凝土连续墙 排桩 沉箱 ( 井 ) 联体旋喷桩或搅拌桩墙等结 构型式 混凝土连续墙及排桩可参照 SL 379 中的板桩式挡土墙进行计算 6.3 结构设计 消力池我省在上世纪 50 年代至 80 年代建成的水闸, 受经济制约, 物资贫乏, 部分软基上水闸消力池采用了浆砌石结构 浆砌石面铺混凝土结构 素混凝土结构, 此类结构因结构强度低 耐久性差, 目前大部分已经出现了破损 而一些工程消力池采用钢筋混凝土结构, 出现破损的情况很少, 因此, 消力池应采用钢筋混凝土结构 对于位于海水环境中的工程, 消力池的钢筋混凝土结构还需做好抗海水腐蚀措施 消力池的斜坡段与水平段宜为整体结构, 当消力池较长需分缝时, 可在水平段分缝, 采用搭缝或凹凸缝的型式, 缝间设拉结钢筋, 以防止由于不均匀沉降下游端凸起使水流紊乱 采用搭缝时, 上游端搭在下游端之上 结构分缝后, 为防止地基土体在渗透压力的作用下从分缝流失和防止结构上部高速水流对分缝下部土体的冲刷, 需对分缝进行 止水 分缝止水材料要求具有抗渗性抵御渗透破坏 抗冲性抵御高速水流冲刷 良好延性适应变形, 良好的耐久性确保在工程使用年限内不因老化而破坏 目前省内广泛使用的止水采用有紫铜片 橡胶止水带和塑料止水带 从使用效果来看, 建议消力池的分缝采用耐久性好的紫铜片 止水结构焊接处及不同方向止水结构交叉处往往是止水的薄弱点, 在施工时应给予重点控制 海漫 海漫须具有一定的柔性 透水性, 能够适应地基的不均匀沉降 顺利排出渗 水, 降低扬压力 同时海漫还要求表面粗糙, 以加大与水流的摩擦, 有利于调整 44

46 流速分布 目前省内外水闸海漫常用的材料型式如下 : (1) 干砌石海漫 : 用直径大于 300mm 的块石砌筑, 厚度为 0.3m~0.7m 干砌石的块体直径越大, 砌筑的越紧密, 干砌石海漫的抗冲流速越高 为增加抗冲能力, 可采用混凝土框格或每隔 4m~6m 修建一道浆砌石埂 (2) 浆砌石海漫 : 浆砌石海漫的抗冲能力大于干砌石海漫, 但柔性和透水性较差 浆砌石海漫设排水孔及反滤层 (3) 混凝土灌砌块石海漫 : 类似于浆砌石海漫, 但胶结材料采用了混凝土 石块间缝距为 80mm~100mm, 大面朝下, 块石间形成上大下小缝隙, 以利砼灌注和振捣, 且灌混凝土表面低于块石顶, 以增加表面粗糙 (4) 混凝土海漫 : 当消力池后水流流速较大或在缺乏石料的地方, 可采用混凝土或钢筋混凝土海漫 海漫上须设置排水孔及反滤层 (5) 扩张金属网箱 格宾石笼海漫 : 通过金属网使块石形成更大的个体, 增加其抗冲能力, 抗冲流速介于干砌石与混凝土海漫之间 从实际使用效果来看, 干砌石海漫对块石粒径要求高, 浆砌石海漫施工质量不宜控制, 较难达到理想的效果, 因此, 建议新建的水闸工程, 海漫可采用混凝土海漫 扩张金属网箱海漫或混凝土灌砌块石海漫 海漫与消力池衔接段首端 8m~12m, 因水流条件较差, 建议也采用混凝土海漫 从海漫的重要性及经济性上考虑, 目前水闸工程海漫结构安全可靠度一般小于消力池结构, 因此, 在遭遇非正常偶遇工况时, 海漫结构出现局部破坏的情况较多, 故海漫结构宜考虑设置限损措施, 防止海漫结构出现局部破坏时迅速扩散, 影响工程整体安全 对于采用扩张金属网箱 格宾石笼或混凝土灌砌块石的海漫结构, 可设置纵横向的钢筋混凝土框格梁, 框格梁净距可采用 2m~4m, 框格梁深至海漫垫层底部 通过设置框格梁, 一方面可增强海漫结构的抗冲能力, 另一方面当某一框格内的海漫结构遭受破坏时, 受框格梁制约, 可约束其扩散至相邻框格内的海漫结构, 避免破损范围扩大 45

47 6.3.3 防冲槽水闸下泄水流经过海漫后, 河床流速分布虽然接近正常分布状态, 但在海漫末端仍有冲刷现象 如果要求河床完全消除冲刷, 则所需海漫长度长, 既不经济, 也无必要, 解决的办法通常是在海漫末端设置防冲槽 防冲槽的深度取决于海漫末端的冲刷深度, 而海漫末端冲刷深度应根据河床土质 海漫末端单宽流量和下游水深等因素计算求的, 其理论计算公式可按 SL 265 中公式 (B.3.1) 由于海漫末端的河床冲刷深度计算值往往很大, 如按此河床冲刷计算深度设计防冲槽, 不仅经济性差, 而且施工困难 参照已建工程的实践经验, 防冲槽采用大块石材料, 深度一般可取 1.5m~2.5m, 防冲槽顶部宽度根据块石需求数量及防冲槽深度确定 块石需求数量即为河床冲刷至最深时, 块石坍塌后在冲坑边坡形成 0.8m~ 1.0m 厚的块石护坡所需数量 确定块石需求数量取决于以下三个因素 : (1) 防冲槽顶高程 : 防冲槽顶高程一般可选定为略低于考虑下切后的河床底高程 ; (2) 河床冲刷深度 : 可按 SL 265 中公式 (B.3.1) 计算 ; (3) 冲刷坑边坡坡度 : 应根据冲刷坑土层的稳定边坡确定 防冲槽块石粒径计算公式参考了 堤防工程设计规范 (GB ) 中 D.3.4 条 防冲墙 (1) 防冲墙的作用及要求水闸工程运用环境复杂, 运行调度人为因素多变, 因此, 为应对非正常工况下引起的河床冲刷可能导致工程防冲消能损坏, 设置防冲墙为目前较有效的措施 防冲墙有两方面的作用 : 一为防止防冲消能设施地基冲刷或渗漏导致淘空塌陷 ; 二为防止防冲墙下游冲坑边坡失稳导致防冲消能设施坍塌 在防冲墙的保护下, 发生非正常工况下的河床冲刷示意图如图 1 46

48 图 1 在防冲墙的保护下的冲刷坑示意图 基于防冲墙的作用, 要求防冲墙具有以下 3 方面的特征 : 一为具有连续性, 可防止土体从墙体中流失 ; 二为具有结构稳定性, 可作为冲坑边坡的支挡结构 ; 三为防冲墙本身具有一定的强度, 可抵御冲刷 (2) 防冲墙结构型式目前防冲墙一般可采用混凝土连续墙 密排灌注桩墙 预制混凝土沉箱 ( 井 ) 预制板桩 混凝土挡土墙 联体旋喷桩或搅拌桩墙等 混凝土连续墙 密排灌注桩墙适用的地质条件广 施工质量易于控制, 但造价较高, 一般可适用于重要工程或大型工程 ; 但因其为嵌入式悬臂支挡结构, 支挡高度有限 ( 建议 6m 以内 ), 对于预计非正常工况下引起的最大临空面深度较大的工程应慎用或采取加强措施 预制混凝土沉箱 ( 井 ) 为箱式支挡结构, 可适用于预计非正常工况下引起的最大临空面深度较大的工程, 但采用该结构时, 应充分了解地基是否存在沉箱 ( 井 ) 施工的障碍物 混凝土挡墙 联体旋喷桩或搅拌桩墙可适用于预计非正常工况下引起的临空面高度较小 ( 建议 2m~3m) 的一般工程, 但使用时, 应考虑旋喷桩或搅拌桩在地基土体内的成桩效果, 例如在有机质含量较高的淤泥土层中, 搅拌桩成桩强度底, 桩体本身便无法抵御水流冲刷, 不宜作为防冲墙结构 ; 在含有大粒径的颗粒不均匀土层中, 旋喷桩成桩均匀性差, 可能存在断桩或缩径, 致使防冲墙不具有连续性, 也不宜采用 在选取防冲墙的结构型式时, 合理预计防冲墙临空面高度 H 为关键因素,H 47

49 预计过大, 将使工程投入大, 造成浪费 ; 而 H 预计不足时, 防冲墙也可能出现破坏, 丧失其作用 H 的预计, 应综合分析工程下游的河道坡降 河床土质及土层分布 人类行为对河道的干预 工程调度时可能出现的失误等因素 由于防冲墙的截渗作用, 当在消力池末端设置防冲墙时, 将截断了闸基渗漏水从海漫出逸的通道, 渗漏水将集中在消力池出逸, 故将可能引起消力池扬压力增大, 因此, 当在消力池末端设置防冲墙时, 应妥善处理排水问题 垫层及反滤排水水闸闸室下游的反滤排水系统与闸室上游的防渗系统共同构成了水闸渗流控制体系, 对于下游反滤排水系统, 其作用一为排水功能, 消散渗透压力, 减少作用于闸室底板上和消能防冲设施上的渗透压力, 增大建筑物的稳定性 ; 二为反滤功能, 防止地基土体渗透破坏, 发生土体流失而导致建筑物地基掏空 目前我省大部分水闸的反滤排水系统为在消力池底板下部铺设反滤排水垫层, 并在消力池平段后 2/3 段设置排水孔 对于在斜坡段及平段前 1/3 不设排水孔, 主要因考虑消力池前部为急流区, 有可能产生局部负压, 增大排水孔逸出的渗流坡降, 并超过滤层所能承受的能力, 致使地基土被局部掏空, 使消力池结构遭受破坏 但此举将致使水闸的有效排水部位后置, 不利于消减渗透压力, 对闸室及消力池前端 ( 特别是斜坡段 ) 稳定不利 省内已有因此原因导致消力池斜坡段底板失稳的案例 另外, 消力池后部水流相对较缓, 且为低位, 易产生淤积而是排水孔堵塞, 进一步减弱了反滤排水系统的作用 因此, 需设法改善目前应用广泛的反滤排水系统设计 根据水闸泄洪时的水流分布情况, 受闸墩的影响, 在闸墩正下游较小范围内, 会形成一处范围狭小的 流速相对较小的区域, 若将排水孔布置在此区域内, 将可减少排水孔受水流冲击而产生的不利负压影响, 且该区域靠近闸室, 有利于渗透压力的消减 此外, 针对该处流速较小的特点, 可在排水管上部设置凸出底板的管头, 避免淤积而堵塞排水孔, 同时也可进一步减少水流所产生的负压影响 另外, 参考溢洪道泄槽段的反滤排水系统, 可在消力池底部不便于设置排水孔的 48

50 区域, 设置纵横向排水花管 ( 排水暗沟 ), 利于收集渗水, 排往下游 采用上述有利于排水的优化措施后, 反滤排水系统如图 2 但对于工程是否可采用该有利于排水的优化措施, 需考虑该措施使水闸渗径减少导致渗透坡降增大的问题, 复核地基土体是否引起渗透破坏 图 2 有利于排水的反滤排水系统剖面图 49

51 7 安全监测和调度运用设计 7.1 安全监测设计 结合水闸的安全监测内容, 考虑消能设施的特点, 以及调研已建水闸安全监测设施的布设和运行情况, 提出消能工的监测内容 监测设施布置 (1) 下游水位下游水位的观测有助于运行管理人员对消能工运行水位是否安全进行判断, 为此宜在消力池斜坡段首端设置水位标尺, 海漫水平段及防冲槽末端设置自动水位计及水位标尺 (2) 沉降 位移工程施工期可先在底板面层埋设简易沉降标点, 在工程竣工后 放水前再引接到上述结构的顶部 第一次的沉降监测应在简易沉降标点埋设后及时进行, 然后根据施工期不同荷载阶段按时进行监测 在工程竣工放水前 后应立即对沉降分别监测一次, 以后再根据工程运用情况定期进行监测, 直至沉降稳定时为止 (3) 扬压力消能设施的扬压力监测应结合闸室的结构型式 闸基轮廓线形状和地质条件等因素确定, 并应以能测出扬压力的分布及其变化为原则 考虑到渗压计的可靠性和耐久性, 有条件时宜同时布置测压管 (4) 冲刷 淤积根据省内外多宗大中型水闸的调研分析, 每年在汛期后水闸消能设施可能会出现不同程度的损坏, 为确保大型水闸消能设施的安全运行, 应对消能设施进行水下测量和检查, 便于提前发现问题, 及时排除隐患 7.2 调度运用设计 通过对省内两宗水闸消能工出险的调研分析, 由于闸门操作不当, 闸后发 50

52 生远驱水跃或产生折冲水流, 造成消力池不能充分消能, 导致消能工损毁 因此, 水闸调度方式对消能工的安全影响很大, 必须结合水闸的功能 运行特点制定运行调度规程 闸门启闭应遵循 闸孔同步 均匀 间隔 分档缓慢启闭 的原则, 中间孔向两侧对称均匀开启, 关闸时与上述顺序相反 ; 禁止一孔全开到顶, 力求避免产生集中水流 折冲水流等不利流态 ; 控制闸门开度, 避免闸门停留在振动较大的开度区泄水 通过对广东省内 3 座典型水闸工程的现场调研, 由于河床严重下切, 破坏了原消能设计的水力学条件, 同级流量下的水位远低于原设计水位, 导致消力池消能不充分, 出池流速较大, 对海漫产生较大的冲刷 因此, 消能工破坏均与下游河床下切 下游水位降低有很大关系 工程运行管理单位应对下游河床高程 下游水位等进行细致的监测, 根据监测结果及时修正水闸运行制度, 确保闸门开度与下游水位相适应 运行管理单位应加强汛期巡视检查, 通过检查消能设施有无磨损冲蚀 河床及岸坡是否冲刷或淤积 过闸水流流态 监测设施有无破损等情况, 及早发现安全隐患, 及时采取有效措施避免安全事故的发生 每年在汛后应对大型水闸消能防冲设施进行水下测量和检查 若发现消力池排水孔失效, 应及时进行处理 ; 海漫末端若出现冲坑, 应及时填平, 避免对防冲墙造成破坏 51