砂性土地基水閘防沖結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

韓士標(biāo)

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，230088，合肥）

一、水閘消能防沖設(shè)計(jì)情況

消能防沖設(shè)施關(guān)乎水閘的安全，也是水閘設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。平原地區(qū)的水閘一般水頭不高，多采用底流消能的方式。挖深式消力池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其后海漫分漿砌石和干砌段，干砌石為斜坡式，縱向坡比不陡于1∶10，海漫末端設(shè)拋石防沖槽，其開挖邊坡不陡于1∶2，末端以緩坡與下游河道相連。對(duì)海漫、防沖槽及其下游連接段兩岸邊坡進(jìn)行防護(hù)。

對(duì)于粉土、粉砂、細(xì)砂、砂壤土、輕粉質(zhì)壤土等地基的水閘，其抗沖刷能力較差，易被沖毀，常規(guī)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)不能滿足安全要求，需改進(jìn)防沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

二、問題的提出

2003年和2007年汛期，淮河流域先后發(fā)生了兩次流域性特大洪水，沿淮工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水利工程損失慘重。汛后檢查發(fā)現(xiàn)，部分水閘在海漫末端出現(xiàn)沖毀現(xiàn)象，有的甚至已向上游延伸，危及工程安全。主要涉及粉土、粉砂、極細(xì)砂、細(xì)砂、輕粉質(zhì)壤土、砂壤土等抗沖刷能力弱的地基。

從沖毀部位的分布看，近岸側(cè)較為普遍，且比較嚴(yán)重，可能與邊界水流有關(guān)。河道內(nèi)沖坑位置是隨機(jī)的，且形狀不規(guī)則，與拋石和海漫末端的銜接有關(guān)，局部存在砂層裸露區(qū)。另外在防沖槽后沖坑也較為常見，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。

因此，必須分析水閘在惡劣放水條件下下游流態(tài)和地基土的特性，找出破壞機(jī)理，以完善工程設(shè)計(jì)。

三、險(xiǎn)情分析

1.泄流沖刷過程

在開閘泄水時(shí)，下游水位較低，甚至無水，上下游水位差最大，且閘孔寬度一般都小于上下游河道寬度，出閘水流具有很大的動(dòng)能，沖刷能力較強(qiáng)。在經(jīng)過消力池后消除了大部分（約40%～70%）的能量，但還有較大余能，且分布不均，仍具有沖刷能力，要靠海漫段和防沖槽降低余能，平順地進(jìn)入下游河道。

隨著泄量的加大，下游水位不斷抬高，上下游水位差減小，水流沖刷能力逐漸減弱。另外，河床的抗沖能力隨水深的增加而增強(qiáng)。也就是說開閘泄流初期沖刷能力最強(qiáng)。

大流量泄洪時(shí)，上下游水位差小，過閘水流在下游形成波狀水躍，消能效果不佳，水流余能大，沖刷能力也較強(qiáng)。

2.水力分析

閘下游常規(guī)的防沖布置見圖1。惡劣放水條件時(shí)，經(jīng)過消力池的消能，海漫和防沖槽部位的水流流態(tài)基本上屬緩流。在防沖槽附近形成紊動(dòng)旋滾水流區(qū)域，由于防沖槽中的拋石不規(guī)則，局部有大的空隙，海漫末端與防沖槽銜接處也存在薄弱環(huán)節(jié)，河床細(xì)小顆粒被吸升到主流區(qū)內(nèi)而挾向下游或散落附近，隨后又有坑底淘刷泥沙繼續(xù)向坡前補(bǔ)充，進(jìn)而形成沖刷破壞。

受岸坡或與下游銜接等邊界突變及護(hù)砌坡面摩擦等邊界影響，在近岸形成螺旋狀搖滾前進(jìn)的紊動(dòng)水流強(qiáng)度增大，加大了沖刷能力。

閘下游的沖刷受調(diào)度運(yùn)行方式的影響較大，不對(duì)稱集中開啟閘門、閘門開啟速度過快等往往是下游沖刷破壞的外在因素。

3.破壞原因及對(duì)策

由以上分析可知，水閘下游沖刷破壞的主要原因有：消能防沖設(shè)計(jì)不合理；施工質(zhì)量差，砌石通縫多，河床局部裸露，存在薄弱環(huán)節(jié)；調(diào)度運(yùn)用不合理，長時(shí)間不對(duì)稱開閘，產(chǎn)生折沖水流，淘刷河床與岸坡；泄流的單寬流量大，而土壤的抗沖刷能力低等。

對(duì)粉土、粉砂、細(xì)砂、砂壤土、輕粉質(zhì)壤土地基的水閘必須改進(jìn)下游防沖設(shè)計(jì)，在海漫末端與防沖槽銜接處采取封閉措施，不留裸露區(qū)，即海漫末端設(shè)垂直防沖墻，防沖槽底部和上游的坡面采取護(hù)砌，下設(shè)墊層。海漫干砌石斜坡段及其岸坡下部增設(shè)中粗砂反濾層和土工布，以增強(qiáng)反濾與排水，提高地基的穩(wěn)定性。

另外，要加強(qiáng)調(diào)度運(yùn)行管理，對(duì)稱開閘，緩慢提升閘門，避免折沖水流的產(chǎn)生。

四、改進(jìn)設(shè)計(jì)

閘下游防沖結(jié)構(gòu)改進(jìn)后見圖2。

1.防沖墻設(shè)計(jì)

防沖墻一般應(yīng)采用剛性墻體，主要有混凝土墻、混凝土樁墻、鋼板樁墻以及水泥土墻等形式。由于多頭小直徑水泥土墻、高壓噴射水泥墻的造價(jià)相對(duì)較低，較為常用，防沖墻的工程量一般不大，為了方便施工，其墻體形式常常與閘基的截滲墻相一致。

防沖墻的深度可為按規(guī)范計(jì)算的沖刷深度，垂直水流向的長度一般應(yīng)超出防沖槽的長度而深入兩岸。墻體必須是連續(xù)的，其厚度應(yīng)確保具有一定的剛度，水泥土墻的厚度一般不小于0.25m。

防沖墻的施工不得擾動(dòng)地基。

2.防沖槽防護(hù)設(shè)計(jì)

防沖槽底部及上游坡采用干砌石護(hù)砌，砌石厚0.3m，下設(shè)碎石墊層，厚0.1m。防沖槽末端與下游河道以不陡于1∶7的坡度平順連接，坡面設(shè)拋石防護(hù)，拋石厚0.6～0.8m。為減小水流紊動(dòng)，防沖槽及以后的防護(hù)段頂部不宜波動(dòng)較大。

3.海漫及兩岸防護(hù)

在海漫干砌石斜坡段及其岸坡和防沖槽以及其以后的過渡段對(duì)應(yīng)的岸坡護(hù)砌下部增設(shè)中粗砂反濾層（厚0.1～0.2 m）和土工布一道。

4.非工程措施

加強(qiáng)水閘的調(diào)度運(yùn)行管理，嚴(yán)格按照規(guī)程操作開閘和閉門，控制閘門的提升速度，對(duì)稱開閘，避免形成折沖水流。

五、工程應(yīng)用實(shí)例及效果

近幾年興建的安徽省淮北市王引河上的侯王節(jié)制閘（中型）、利辛縣西淝河上的闞疃南閘（中型）及澮河上的宿州市蘄縣閘〔大（2）型〕均采用此種模式改進(jìn)下游防沖設(shè)計(jì)。

新建的侯王節(jié)制閘20年一遇設(shè)計(jì)泄洪流量為602 m3/s，采用開敞式閘室，共7孔，單孔凈寬8.0 m。閘基為細(xì)砂，為提高抗沖能力，對(duì)防沖結(jié)構(gòu)改進(jìn)了設(shè)計(jì)，即海漫末端及防沖槽底設(shè)垂直水流向高壓噴射水泥直墻兩道，深分別為6.0 m和3.5 m，長度分別為70.0 m和60.0 m，孔距1.6 m，墻厚0.3 m。防沖槽底及上游坡采用干砌石護(hù)砌，厚0.3m，碎石墊層厚0.1m。防沖槽末端與下游河道地面以1:8的坡度平順連接，坡面設(shè)拋石防護(hù)，拋石厚0.6～0.8 m。海漫砌石斜坡段及防沖段兩岸砂層出露處的下部增設(shè)中粗砂反濾層和土工布。該閘于2011年年底竣工并投入運(yùn)行。

2012年汛期，受臺(tái)風(fēng)的影響，淮北地區(qū)多次遇特大暴雨的襲擊，有兩次最大降雨量均超過了150 mm，侯王閘多次開閘泄洪。汛后檢查發(fā)現(xiàn)，下游海漫及防沖槽狀況良好。

蘄縣閘20年一遇設(shè)計(jì)排洪流量1 380m3/s，共 12孔，單孔凈寬 8.0 m。閘基為輕粉質(zhì)壤土，海漫末端防沖墻采用高壓擺噴水泥單墻，其防沖布置同圖2，該工程現(xiàn)已開工建設(shè)。

[1]毛昶熙，段祥寶，毛佩郁，等.堤防滲流與防沖 [M].北京:中國水利水電出版社，2003.

[2] 水閘設(shè)計(jì)規(guī)范（SL 265—2001）[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

[3]張世儒，夏維城.水閘 （第二版）[M].北京：水利電力出版社，1993.