5.2.3.1 消能防冲布置及计算分析
根据水库调度需要，上游水闸功能是以引水为主、紧急情况下应急排水为辅，因此，内、外侧均设置消能防冲设施，结合本地区类似工程经验，采用下挖式消力池进行底流消能，初拟取水泵闸平剖面布置方案（图5-18），采用经验公式计算上游水闸消能防冲，成果见表5-5。
由计算结果可见，上游取水闸初拟消力池布置满足消能要求；水库侧海漫长度只需50m，初拟设计值100m，主要是考虑出闸水流的扩散整理，使进入库内水流流态平稳，减少冲刷。
海漫护底末端表层土为①1－3B层砂质粉土夹黏性土，冲刷坑边坡稳定边坡约为1∶4，此时抛石护底末端冲刷坑最深处离护底末端约30.28m，初拟防冲槽单宽抛石量为38.25m3。
表5-5 上游水闸正向引水工况消能计算成果
5.2.3.2 定床物理模型试验研究
1）总体消能布置方案研究
为了研究上游取水闸的消能布置合理性，选择落潮引水两种工况不利组合对两种消能总体布置方案进行定床物模试验验证，水位组合见表5-6。
表5-6 闸下消能防冲主要试验工况（落潮）
两方案消力池及平面布置相同，仅有海漫及出水渠局部高程不同，以比较两者不同的总体消能防冲效果。
方案一：海漫及出水渠底高程均为－1.5m；
方案二：海漫段底高程为－2.0～－3.5m，出水渠弯道段底高程降至－3.5m（两侧导流堤作相应的调整），后接反坡升高至－1.5m，与第二防冲槽相接，出水渠平直段与方案一相同。
试验中观测到：总体消能布置方案一在消能及初始工况下，消力池均能形成稳定水跃，跃首发生在闸室末端，跃尾接近消力池尾坎。受闸墩影响，消力池中均存在较强的回流区，水流局部集中，出池流速分布不均。经海漫段调整，流速分布逐步趋于均匀；同时，海漫段两侧分别存在较强回流区。
方案一在消能工况下，海漫末局部流速较大，最大垂线平均流速达2.88m／s。方案一在初始工况下，池后水面跌落明显，实测跌落区最大长度为60m左右，在池后形成一高流速区。海漫段水面波动明显，对消能防冲不利。出水渠流态与消能工况一相近，弯道西侧回流区略小，出水渠直段北侧回流区明显减小，海漫末局部最大垂线平均流速为2.30m／s。
总体消能布置方案二流态与方案一相似，在消能工况下海漫段、出水渠弯道段流速有所降低；弯道末端反坡有利于水流扩散，出水渠直段主流区略有扩宽，流速稍有降低。方案二初始工况由于尾坎后水深逐步加大，池后水面跌落区长度减小明显，跌落区最大长度为12m左右。海漫段及出水渠流态与方案一相近，海漫末及弯道段流速有所降低。
试验表明，初拟消能防冲总体布置合理，基本满足设计要求。消力池内能形成稳定水跃，但从下游水流衔接调整流速分布等方面综合考虑，容量略显不足。始放工况池后水面跌落较为明显，受池内回流影响，出池水流局部集中。出水渠能引导水流基本平顺入库，但两侧存在回流区，平直段主流偏于南侧，局部流速较大，对防冲不利。两种布置方案流态相近，方案二弯道段流速稍低，有利于弯道的防护，弯道末端反坡有利于水流调整。因此，出水渠采用方案二布置方案，消能防冲的其他修改措施在该方案基础上进行研究。
2）消力池局部布置研究
根据平原地区经验一般采用下挖式底流消能方式，结合经验公式计算结果初拟内侧消力池长23m，深1.50m，底板高程－3.00m，引堤侧侧墙扩散角为12°，消力池净宽从81.1m扩至86.0m。内侧消力池斜坡段坡比均为1∶4，内侧长为6.0m，外侧长为4m。
上述总体消能布置方案研究中，发现初始工况池后水面跌落较为明显，受池内回流影响，出池水流局部集中，须对消力池作局部修改。因此，需要继续对挖深式消力池的局部布置进行研究，即采用综合式消力池，采用增加池深、池长，加设消力墩、消力坎以及差动尾坎和增设池末反坡等辅助消能工措施，进行研究比较，以选择较优修改方案，保证闸下水跃完整地发生在消力池内。
经多组次试验观测比较，选取两种较优方案进行详细比较研究：
方案一：即在消力池尾部增设1∶5的反坡，每孔加设高1.5m的连续消力坎，池深增加至2.0m （池底高程－3.5m），总池长增加至35.5m（尾部与水闸下游翼墙齐平）的修改方案。消力池修改方案布置见图5-19。
图5-19 消力池局部调整布置方案一
方案二：沿用原初拟消力池布置方案，消力池长23m，深1.50m，底板高程－3.00m，同时增设辅助消能工的措施，即每孔中间增设高1.5m的消力墩，消力池尾坎改为差动式结构，见图5-20。
图5-20 消力池局部调整布置方案二
经初步试验观测，方案一消能工况消力池能形成稳定水跃，跃首发生在闸室末端，跃尾在辅助消力坎处。由于消力坎的整流作用，消力池中虽仍存在回流区，但是强度较小。跃后水流越坎后在池中得到较好调整，再经反坡作用后，出池流速分布较为均匀。海漫段流速分布较为均匀，与原方案相比，出水渠东西两侧回流区范围稍有减小，回流流速较低；初始工况消力池回流较原方案小，出水池水流较为均匀，但仍存在一定的水面跌落，跌落区长度较原方案显著缩短，最大长度为6m左右。
方案二尾坎改为差动式，一定程度上可缩短坎后水面跌落区长度，但对池内流态影响不大。由于受池中回流影响，出池水流局部集中现象无明显改善；在池中设消力墩对减少池中回流、消减出池水流集中有一定的作用，其作用随墩高增加和墩的间距减小而增强，但墩高过大和间距过小，池中水面明显壅高，有可能影响水闸过流能力。经试验比较，选择尾坎齿顶高程为－1.0m，齿间高程为－2.0m，齿宽为1.0m，齿间距为1.0m；池内消力墩高1.5m，宽2.0m。每闸孔后布置2个，墩间距1.0m（按闸孔中心线对称布置）。
方案二消能工况消力池内能形成稳定水跃，闸孔两侧跃首位于闸室末端，闸孔中部位于斜坡上，跃尾最远位于消力墩前。受消力墩作用，池内回流区得到一定的压缩，较原方案小，跃后集中的主流向两侧扩散，宽度较原方案加大，经尾坎作用后，原方案中出池水流集中现象基本消除，出池水流水面跌落不明显，东侧回流区较原方案有所减少，较消力池局部布置方案一稍大，回流流速较低；始放工况跃首位于斜坡中部，经消力墩作用，池内回流区较原方案有所减少，墩后主流扩散较原方案增加。经尾坎作用后出池水流较原方案有所均化。池后水面跌落区长度在10m左右，小于原方案，大于方案一。
研究表明，消力池局部布置方案一、方案二均能满足水闸取水消能要求，按消能最优原则采用方案一稍有优势，但方案一库内消力池长度增加了12m，水闸侧翼墙及平台也需要作相应调整，投资增加明显，综合考虑后消力池采用局部布置方案二。(www.xing528.com)
3）出水渠整流措施研究
取水闸消力池之后紧连水库侧海漫，由于水库侧海漫末端南侧约350m即为中央沙北堤堤脚，出水渠出流与海漫水流成92°转向，水流流态较为复杂，且易对中央沙北堤堤脚产生冲刷，故对出水渠出流应进行深入研究，采取有效措施，保证中央沙北堤的稳定安全。
初拟布置方案为出水渠转弯段（高程为－3.5m）设抛石下压软体排保护，延伸至第二道防冲槽末端，并在超出第二道防冲槽280m范围内的出水渠靠中央沙北堤堤脚设四道抛石丁坝，丁坝间距70m。通过消能整体试验表明，该布置方案出水渠两侧存在回流区，平直段主流偏于南侧，局部流速较大，对防冲不利。
结合以往工程经验，出水渠较为可行的整流措施有导流隔墙（墙顶高于平均库水位）、近岸丁坝群（堰顶高于平均库水位）、潜坝三种，对这三种布置方案进行初步的流态观测表明，导流隔墙整流效果较好，对库水位的变化适应性强，各库水位下出水渠直段均能获得较为均匀的流速分布，但其水中施工有一定难度；单独丁坝群的布置比较复杂，部分丁坝须布置在出水渠直段，出水渠直段水流主流虽能居中但分布不够均匀，局部流速较大。丁坝头部绕流可能引起较大的局部冲刷，整流效果较差，但其水下施工较导流隔墙容易；潜坝的整流作用在中低水位时较为显著，而在水位较高时则整流作用减弱，其整流效果较导流隔墙差，与丁坝群整流效果相近，但其水中施工较为容易，从兼顾水流条件和施工方便考虑，选择潜坝整流工程措施。
5.2.3.3 动床物理模型试验研究
青草沙上游取水泵闸定床水工模型试验成果表明，水闸引水部分工况出水渠流速较大，部分工况存在着明显偏流，出水渠河床抗冲流速较低，发生局部冲刷的可能性较大，为验证出水渠防冲布置的合理性，预测水闸运行出水渠可能发生的冲刷形态，在定床试验的基础上，进行局部动床试验。
1）出水渠流态与冲淤分析
泵站运行时，库水位较高，流量较小，库区流速低缓，因此泵站运行对出水渠冲淤影响较小，不起控制作用。
水闸运行，库区水位高于3.0m时，水流普遍上滩，西侧滩地上，近弯道处形成一较大的回流区（与出水渠弯道中回流连成一体）。实测滩地最大回流流速在0.45m／s左右，不致引起滩地明显冲刷，但有可能在回流区内产生一定的淤积，回流区以西为大面积滞水区，流速趋于0。在东侧滩地上，近泵闸枢纽处存在一较大的回流区，实测最大回流流速在0.4m／s左右。回流区以东，滩地逐步形成顺出水渠方向的流速，实测最大流速在0.45m／s左右。因此东侧滩地也不致发生明显冲刷，但在近泵闸枢纽的回流区内，可能产生一定的淤积。
在泵闸枢纽东南侧中央沙北堤附近狭窄的滩地上，由于布置了五道丁坝，滩地水流通道被阻断，原来存在的较大的滩面流速基本被消除，仅表现为丁坝间的弱回流，最大流速在0.3m／s以下，对中央沙北堤有良好的保护作用，同样，丁坝间可能产生少量淤积。
当库水位3.0m以下，水闸引水时，水流基本位于出水渠内。
出水渠弯道段水流紊乱，流态复杂。但弯道段渠底高程较低（－3.0m），各工况均有较大的水深，流速相对较低，且出水渠弯道段全部采用1.0m厚的抛石防护，因此正常运行工况下弯道段不致发生冲刷破坏。
出水渠直段采用抛石局部保护，保护范围为两侧边坡和近坡脚的部分渠底。出水渠直段底高程升高至－1.5m，水深较弯道段减小，部分工况有偏流现象，局部流速明显大于河床的抗冲流速，渠底可能发生不同程度的冲刷。因此，出水渠直段是闸下局部动床试验重点研究的区域，试验观测各试验工况下的出水渠冲刷形态。
2）局部动床试验主要工况
局部动床主要试验工况见表5-7。
表5-7 局部动床主要试验工况
3）局部动床的平面范围
根据定床试验成果，各工况出水渠直段的最大流速基本上位于出水渠首端300m的范围内，300m以后流速逐步均匀，冲刷能力降低。因此，沿出水渠长度方向模拟500m左右。出水渠两侧边坡及局部近坡脚渠底均为1m厚的抛石护坡，出水渠边坡不致发生破坏，因此边坡按定床处理，动床模拟宽度为出水渠底宽255m。
对于两侧护底（北侧宽10m，南侧宽30m），虽本身不致冲刷破坏，但在无保护渠底发生明显冲深时，护底边缘的抛石可能发生滚移，因此，抛石护底部位河床仍按动床处理。出水渠两侧护坡末端20m区域按动床处理，以模拟末端抛石滚落的影响。
局部动床模型平面布置见图5-21。
图5-21 局部动床模型
4）试验结果
（1）控制引水各试验工况出水渠均发生一定程度的冲刷，渠底普遍冲深最大在2m左右，局部最大冲深4m（冲坑最低高程－5.48m）。防冲槽和两侧护底有部分抛石滚落，但未形成显著破坏，出水渠防护效果良好。
（2）超量引水工况出水渠冲刷明显加强，普遍冲深在3m左右，防冲槽后最大冲深6m左右（冲坑最低高程为－7.5m），防冲槽和两侧护底有显著变形，防冲槽抛石滚落影响长度为6m左右，右侧护底受影响宽度为5m左右，但未对滩地和中央沙北堤及滩地产生显著影响。
（3）防冲槽和抛石护底边缘的块石因水流冲刷而滚移是一个长期存在的过程，因此建议在运行中加强观测，必要时补充抛石。
（4）超量引水工况下出水渠冲刷显著，防冲槽和两侧护底有显著的冲刷变形，应尽量避免。在超量引水时应加强观测，必要时补充抛石。
（5）超量引水时，水闸海漫末端流速较大，应加强海漫后弯道抛石防护的观测。
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