桐溪湖（含水道）湖泊工程出水口的消能防冲设计

范 平

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 工程概况

近年来，长株潭一体化进程有序推进，观音港新城地处长株潭地理中心位置，随着区域城市化进程的推进，观音港新城将成为长株潭一体化发展中的重要节点和发展平台。桐溪湖湖泊（含水道）工程（以下简称“桐溪湖工程”）位于潇湘大道西线以西，坪塘大道以东，桐溪湖路以南，巡抚东路以北合围的区域内，湖泊及水道占地面积27.87 万m2，湖泊水面高程40.00 m，水深（1.5～3.0）m，湖底高程为（38.5～37.0）m，湖水总容量约为44.28 万m3，桐溪湖工程还含约2 550 m 长的水道，水道宽度（20～39）m，水道主要布置在桐溪湖南侧，基本沿巡抚路走向布置，西南边截止于坪塘大道，东边截止于潇湘大道西线，此处是整个桐溪湖距离湘江最近处，距离湘江西岸堤防约150 m。桐溪湖平面布置见图1。桐溪湖工程等别为V 等，出水口水工建筑物级别为4 级。

图1 桐溪湖（含水道）湖泊工程平面布置图

2 水文、地质情况

根据规划要求和水文计算桐溪湖出水口按200年一遇洪水标准，设计洪水流量为62.1 m3/s，根据长沙市暴雨强度计算公式，桐溪湖工程计算暴雨流量为49.91 m3/s。本设计桐溪湖排水流量取较大值Q=62.1 m3/s。

根据规划，桐溪港～观音湖段水系设计水面高程为40.0 m，设计水面雍高0.3 m，因此桐溪湖工程设计洪水位取40.3 m。

桐溪湖出水口基础落于中风化泥质粉砂岩，岩石的地基承载力特征值不小于1 000 kPa，摩擦系数不小于0.45。出水口区域地质构造简单，未发现影响场地稳定性的不良地质作用，场地目前处于稳定状态。

3 桐溪湖工程出水口消能设计

3.1 出水口基本情况

桐溪湖出水口设置在桐溪湖出口水道三与潇湘大道南延线交汇处，桐溪湖出水口由排水闸和溢流坝组成，排水闸设置三孔闸门居中布置，每扇闸门2.5 m宽，排水闸两侧各布置13.5 m 宽溢流坝，溢流坝堰顶高程40.0 m。桐溪湖出水口设置排水闸和溢流坝，可以在平时桐溪湖入湖流量Q 较小时（Q≤7.43 m3/s），维持40 m 高程湖水水面，多余湖水通过溢流坝自行溢流排出，当入湖流量较大（Q＞7.43 m3/s）需要泄洪以及进行湖底清淤、换水时，打开闸门可以泄洪和迅速排空湖水。桐溪湖出水口上游连接段设置钢筋混凝土铺盖和护底，上游翼墙采用重力式直墙结构，与河道侧壁衔接，下游消能后通过箱涵与湘江西岸堤防工程修建的桐溪港连通涵相连。

桐溪湖出水口下游通过新建箱涵与桐溪港连通涵相接，箱涵需从潇湘大道西线下穿过，而规划潇湘大道西线在桐溪湖出水口南侧约135 m 处的巡抚路口将进入隧道，下穿湖南省政府接待中心，因此桐溪湖出水口处潇湘大道路面高程较低，约为33.0m。先期建设的湘江西岸堤防工程中设计新建的桐溪港连通涵已经考虑该处路面高程问题，连通涵进出口底板高程均为28.5m。桐溪湖出水口处水道底部高程为37.0m，而出水口下游连接箱涵底板高程为28.5 m，因此桐溪湖出水口上下游水位差相比同等规模水闸大许多，而且该出水口位于先导区核心区域内，消能设施占地面积要尽可能小，与周围环境和景观要尽量相融合。

3.2 桐溪湖出水口消能设计

3.2.1 消能设计参数

（1）出水口上、下游水位的确定。

根据市政规划设计，桐溪湖上游设计水位为40.30m。

桐溪湖出水口下游经桐溪港连通涵与湘江连通，按桐溪湖内发生200年一遇洪水62.1 m3/s，外河湘江维持30.01m 水位的最不利情况下反算连通涵进口水位为31.50m，桐溪湖出水口下游设计水位定为31.50m。

（2）单宽流量和闸孔宽度的确定。

桐溪湖出水口设计流量Q=62.1 m3/s，分别拟定溢流坝宽度和闸孔尺寸根据上下游水位和流量计算公式复核溢流堰流量和闸门泄洪流量。

为最大限度利用河道宽度自由溢流，尽量减少闸门运行调度，设计考虑充分利用39 m 宽河道，除了在河道居中位置布置3 孔泄洪闸门外，在两侧剩余河道宽度范围内布置溢流堰维持湖水水面高程的同时自由排出桐溪港撇洪渠来水。拟定两侧溢流坝净宽为2 m×13.5 m，排水闸孔净宽2.5 m，中墩1.2 m，边墩1.0 m，根据堰流流量计算公式推算结果为两侧溢流堰Q1=7.43 m3/s，在桐溪湖来水超过该流量后，为维持桐溪湖湖面高程不超过40.3 m，需要开闸泄流，三孔闸门全开最大泄流流量Q2=58.2 m3/s，Q1+Q2=65.63 m3/s＞62.1 m3/s，满足桐溪湖泄洪要求。溢流坝单宽设计流量为0.27 m3/s，排水闸单宽设计流量为7.76 m3/s。

3.2.2 溢流坝消能设计

桐溪湖出水口由排水闸和溢流坝两部分组成，溢流堰采用常用的平底板宽顶堰，开敞式进口边缘修圆的堰面曲线。溢流堰堰顶高程40.0 m，溢流面曲线采用WES 型幂曲线，桐溪湖湖水面设计雍高0.3 m，溢流坝总宽27 m，雍高小、溢流坝段宽，经计算溢流坝单宽流量仅为0.27 m3/s。溢流坝坝高12.3 m，采用重力坝坝型，设计经过综合比较后采用溢流面台阶消能+坝后消力池的消能设计。本工程溢流坝采用此种设计，加大的溢流坝下游面坡比既能有效满足重力坝稳定及应力计算要求，也有效地减小了下游消力池部分的结构尺寸，简化了下游消能设施，降低了工程规模及工程投资。

3.2.3 排水闸消能设计

（1）排水闸消力池型式选择。

桐溪湖排水闸上游河底高程为37.0 m，下游设计涵管底板高程为28.5 m，高差8.5 m，如采用传统的水跃消力池设计方式，即使陡坡段采用最大1∶3 坡比，加上水跃长度后，消力池长度至少要50 m 长。桐溪湖出水口紧邻潇湘大道，在不大量占用桐溪湖水道的情况下基本无法布置。

由于桐溪湖排水闸位置的特殊性，导致水闸位置河槽断面骤然变化，排水闸高位水深急剧地变成低位水深，使水面形成陡直自由跌落的水跌特例，水跃在撞击下游槽底之前，无反曲线发生。自由跌落水跃与跌塘消力池采用的计算模型跌落式水跃（图2）相同，跌塘消力池是水流从溢流堰顶直接跌落到消力池内的一种消能工，采用此种水跃模型，其下游消能有三种方式，即用水跃消力池、撞击式消力池及格栅式消力池。

图2 跌落式水跃示意图

跌塘消力池按水跃式设计与一般水跃消力池相同，只是水跃起点需要计算。在图3 中水跃起点（X点）与跌落高度有关，并受水舌下方水深的影响，下游水深足够的情况下（下游水深>共轭水深d2），此种消力池可按一般水跃消力池设计。

图3 水跃式消力池示意图

格栅式跌塘消力池（图4）主要用于弗劳德数F1从2.5 到4.5 之间的跌落式水跃，这种消力池的格栅将水舌分割成片状水股，然后垂直向下方的消力池跌落，进行消能。为了使消能有效，对格栅的长度LG 有一定的要求，即入流水体到达格栅尾之前应都已向下跌落。因此，格栅长度与入流流量、流速、及栅槽面积等因素有关。

图4 格珊式消力池示意图

撞击式跌塘消力池（图5）大量地运用于小型灌渠渠道及水土保持工程的泄水建筑物上，它主要是靠入流水舌的碰撞和紊动消能，其特点是对下游水深的要求与跌落高度的关系较小，在较大的下游水深变幅范围内具有良好的消能特性。

图5 撞击式消力池示意图

经过分析计算，本工程跌落水跃的共轭水深d2=4.034 m＞下游水深3.0 m，弗劳德数F1=4.96，采用水跃式消力池和格栅式消力池不如撞击式消力池经济合理，综合比较后本工程排水闸采用撞击式跌塘消力池，可最大限度减少消能工平面尺寸和工程投资。

（2）排水闸消能计算。

关于跌落式水跃的水利特性，兰德（Rand）首先提出跌落系数的概念，并定义跌落系数D 为：

式中 q——单宽流量；

g——重力加速度；

y——跌落高度；

D——跌落系数。

由试验得出下列函数关系：

式中Ld为跌落距离亦即跌坎墙脚到水深为d1处的距离；但此式没有考虑下游水深的影响。df为水舌下方的水深，d1为水舌趾部处水深，亦即水跃首部水深；d2是相应于d1的共轭水深。设dc 为临界水深，由于，故得：，又由于F1=于是有以上得出dc～D 及F1～D 的关系供计算使用。撞击式跌塘消力池形式见图5，消力池定型设计相关尺寸如下：

消力池最小长度LB=Lp+2.55dc；坎脚到消力墩上游面的最小距离=Lp+0.8dc；最小尾水深度dtw=2.15dc；消力墩最佳高度=0.8dc；消力墩的宽度及间距=0.4dc±；尾坎最佳高度=0.4dc。

（3）消力池计算结果。

经过计算，撞击式消力池设计最小水深dtw=3.81m，为满足最小水深要求，消力池底板高程确定为27.65m，消力池最小长度Lb=13.08m，消力池设计尺寸为13.5m，消力墩高度1.42 m，消力墩间距0.71m，共布置7个消力墩，尾坎高度0.8m。计算结果见附表，消力池尺寸及桐溪湖出水口结构设计见图6。

4 结 论

从图6 可以看到，桐溪湖出水口充分利用了水道宽度，在排水闸两侧布置较宽的溢流坝以最大限度减少闸门运行调度。根据溢流坝段单宽流量较小的特点，采用台阶消能+消力池方式使得整个溢流坝段+消力池结构尺寸控制在15 m 以内； 桐溪湖出水口排水闸采用撞击式跌塘消力池，闸后消力池长度为13.1 m，有效减小了排水闸整体结构尺寸，排水闸闸室、消力池及下游连接段总体结构尺寸仅为25 m。整个桐溪湖出水口布局合理、结构紧凑，同时按照市政建设的景观要求，在出水口下游布置了梁板系将整个桐溪湖出水口下游消能工进行覆盖，便于后期在出水口上进行桐溪湖环湖景观设计以及道路两侧绿化布置。

附表 消力池计算成果表

当前城市发展和建设越来越重视市政工程与生态、环保及景观相结合相协调，城市建设中的河湖改造、湿地公园等涉水项目的建设，既是水利工程同时也属于市政工程建设范畴。本工程就是水利工程与市政工程相互融合的典型案例，桐溪湖位于长株潭融城后长沙市地理位置的中心区域，新城区的规划建设对市政工程在各个方面都提出了更高的标准和要求，本工程改造了原桐溪港撇洪渠的河道，新建了人工景观湖泊，满足了城市建设的生态、环保和景观需求，同时桐溪湖承担了相应片区的市政排水功能，桐溪湖出水口更是需要综合考虑各方面因素针对消能工进行特殊设计，通过合理布置消能工较好地解决了桐溪湖出水口水工建筑物的消能防冲问题，同时也满足了市政工程建设中的道路、隧洞规划，后期景观设计及绿化布置等各方面的高标准高要求。

图6 桐溪湖出水口结构设计图