水閘底流消能防沖關(guān)鍵技術(shù)研究

李　倩，石自堂，汪洹湛

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

水閘的底流消能防沖設(shè)施通常是采用消力池、海漫、防沖槽。消力池緊接閘室，促使出閘水流在池內(nèi)產(chǎn)生水躍，以消除水流的動(dòng)能，保護(hù)河床、河岸免受沖刷。其后的海漫進(jìn)一步消除水流剩余的動(dòng)能，調(diào)整水流的流速分布。海漫末端常設(shè)防沖槽，以防海漫下游河床沖刷而影響海漫的安全。

水閘底流式消能的效率與閘孔出流處的佛汝德數(shù)Fr密切相關(guān)，F(xiàn)r愈大，消能效率愈高；Fr愈小，則消能效率愈低。

(1)國(guó)外學(xué)者從20世紀(jì)50年代開始對(duì)低佛汝德數(shù)水躍的消能進(jìn)行研究，尋求合適的消能方式來(lái)解決低佛氏數(shù)消能的不足。美國(guó)墾務(wù)局推薦了USBR-Ⅳ型和USBR-Ⅲ型消力池，前者由趾墩和連續(xù)性尾檻組成，可消除水面波浪，池長(zhǎng)與自由水躍基本相等，沒(méi)有縮短消力池長(zhǎng)度，后者在前者的基礎(chǔ)上，在池中布置了一排消力墩，加大池中水流摻混，可使池長(zhǎng)縮短為水躍長(zhǎng)度的40%左右；1948年Blaisdell推薦了SAF型消力池，通過(guò)趾墩、消力墩和連續(xù)性尾檻的組合來(lái)增加消能，其應(yīng)用于美國(guó)中小型水利工程，可縮短池長(zhǎng)70%以上；1969年印度標(biāo)準(zhǔn)研究所建議采用ISI型消力池，池內(nèi)采用梳流墩、消力墩和差動(dòng)式尾檻組合，可有效提高消能效率，并消減水面波浪，池長(zhǎng)可縮短30%。

(2)在國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了大量的研究，主要從4個(gè)方面的措施來(lái)減小低佛氏數(shù)水閘消能的危害：①輔助消能工。消力墩、消力坎等布置在消力池段的輔助消能措施，主要是通過(guò)將水流挑起，使底部較大流速的水流挑起至水部上層，增加消力池中水躍的漩滾和摻混程度，加大水流能量的耗散，來(lái)縮短池長(zhǎng)、提高消能效率。②多級(jí)消力池。當(dāng)水流流出消力池后，仍具有較大動(dòng)能，在下游河床允許的情況下，可布置二級(jí)消力池，使之發(fā)生二次水躍，進(jìn)一步消能。③改變出口條件。通過(guò)改變消能工末端水流出口條件，如擴(kuò)散、收縮、碰撞來(lái)增加消能效果，其代表消能方式有擴(kuò)散式消力池和對(duì)沖式消力池等新型消能工。④改變消力池入口條件。其代表消能方案是寬尾墩聯(lián)合消能工，增加水流的橫向收縮和豎向擴(kuò)散，二元水流變?nèi)?，增加水流的摻氣和紊?dòng)，增加能量消耗。同時(shí)，可以通過(guò)幾種消能方式的組合、傳統(tǒng)消能方式與輔助消能工的巧妙組合，可以獲得更好更有效率的消能效果。

1　問(wèn)題的提出

當(dāng)一些水閘采取底流消能時(shí)，通常采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行消力池的設(shè)計(jì)，其消能效果往往不如預(yù)期理想，消力池內(nèi)無(wú)法形成充分的完全水躍，消能不足，從而使其后的防沖結(jié)構(gòu)和河床出現(xiàn)一系列沖刷問(wèn)題。盡管現(xiàn)有研究成果不乏有一些解決手段，但當(dāng)前大多數(shù)工程仍處于在先出現(xiàn)問(wèn)題然后再解決問(wèn)題的階段，而不是預(yù)防問(wèn)題發(fā)生。其根本在于沒(méi)有從本質(zhì)上了解水閘底流消能消能率低、消能不充分的原因。在《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中也未提到有關(guān)水閘低佛氏數(shù)消能的情形，而將消力池的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了統(tǒng)一，這樣使得設(shè)計(jì)出的部分消力池不滿足消能要求。

此外，水閘下游受水流沖刷的影響，特別是有些河道采砂，引起下游河道水位的下降，改變了水閘消能防沖的當(dāng)初設(shè)計(jì)條件，當(dāng)水位下降變幅較大時(shí)，如果沒(méi)認(rèn)識(shí)到對(duì)水閘危害，不采取新的措施、辦法，消能防沖設(shè)施會(huì)繼續(xù)遭受破壞。

2　低佛汝德數(shù)消能問(wèn)題

佛汝德數(shù)，被定義為：

(1)

表征流體慣性力與重力的比值，F(xiàn)r值越小，重力作用影響越大，慣性力影響越小。研究表明，當(dāng)4.59時(shí)，發(fā)生強(qiáng)水躍，水流不穩(wěn)定，波浪較大；當(dāng)Fr≤4.5時(shí)，水流發(fā)生低佛氏數(shù)水躍，水躍不完整，消能作用不充分，消能率低。穩(wěn)定水躍的水躍段，水流湍急，流速快、能量大，對(duì)水躍段建筑物或河床的沖刷十分嚴(yán)重，因此水閘需要設(shè)置合適的消力池，使水躍發(fā)生在池內(nèi)，且發(fā)生充分，水流流出消力池時(shí)，平緩地與下游水流相銜接。此時(shí)水躍段已耗散掉大部分能量，其后的護(hù)坦段和防沖措施繼續(xù)耗散水流能量，因而不會(huì)對(duì)河床及下游河岸造成過(guò)度沖刷。

2.1　水閘消能充分的水流流態(tài)的特征

根據(jù)我們相關(guān)的水力學(xué)水工模型試驗(yàn)和調(diào)查的一些水閘的消能防沖資料，發(fā)現(xiàn)水閘消能充分的水流流態(tài)除了水躍段水流漩滾、水體質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)和摻混作用，水體中存在著渦體等，還具有下列看得見或感覺(jué)到的水流流態(tài)特征：

(1)消力池內(nèi)存在明顯的回流且區(qū)域不穩(wěn)定。消力池內(nèi)水躍強(qiáng)烈躍起后在池內(nèi)翻滾，表層水流有倒流、橫流、順流等雜亂無(wú)章的狀態(tài)外，同時(shí)水流在池內(nèi)相互擠壓、摩擦，可以明顯看到一至幾個(gè)回流區(qū)不停旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)區(qū)域不停在移動(dòng)、變換。

(2)消力池內(nèi)表層漂浮物很難漂出池外。在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中經(jīng)常會(huì)看到一些人在消力池內(nèi)游泳，偶爾聽到有個(gè)別人游不出來(lái)的消息。我們?cè)谧鲂陆嶙卫歉蛹t衛(wèi)渠首的水力學(xué)水工模型消能防沖試驗(yàn)時(shí)，特地在消力池內(nèi)撒下一些紙屑、泡沫等漂浮物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分漂浮物被水流帶到下游，但有少數(shù)漂浮物還漂浮在池內(nèi)水面不停在旋轉(zhuǎn)，當(dāng)即將被水流帶出池的時(shí)候又被水躍帶回來(lái)，此流態(tài)不停地在池內(nèi)重復(fù)，因此也印證了水閘泄水時(shí)在消力池游泳是很危險(xiǎn)的。

2.2　消能不充分的水流特征和危害

低佛汝德數(shù)水躍具有較強(qiáng)的波浪特征，水流極不穩(wěn)定；垂線上流速不均，底部流速大，沖刷作用強(qiáng)；水躍段水流漩滾發(fā)展不充分，幅度小而弱，甚至形成顫動(dòng)水躍，耗散的能量少，消能率較低，消力池消能作用?。卉S首從底部到水面的水流做不規(guī)則的周期性上下擺動(dòng)，水躍整體位置也會(huì)做周期性前后擺動(dòng)，形成“行進(jìn)波”；水流躍后段所攜能量較大，帶有大量紊動(dòng)能，對(duì)海漫、防沖槽等沖擊較大，且下游波動(dòng)加劇，波動(dòng)范圍加大，需要相當(dāng)長(zhǎng)一段距離，能量才能耗散，給下游防沖帶來(lái)了較大問(wèn)題。

以湖北某水閘工程為例，該水閘是一座以灌溉為主，兼有防洪、供水和發(fā)電的擋水建筑物，屬中型Ⅲ等工程，由攔河閘、右岸沖沙閘和三級(jí)電站組成。取攔河閘為研究對(duì)象，5孔閘孔，凈寬45 m，設(shè)計(jì)流量881 m3/s，底板高程27.3 m，當(dāng)灌溉或發(fā)電時(shí)控制上游水位32.37 m。有消力池深1.6 m，池長(zhǎng)36.0 m。水閘泄水消力池內(nèi)看不見水閘消能充分的水流流態(tài)的明顯特征。運(yùn)行一段時(shí)間后，海漫沖毀，消能防沖結(jié)構(gòu)已無(wú)法正常運(yùn)行。后找原因，計(jì)算躍前斷面的佛汝德數(shù)Fr為2.21，水閘泄水時(shí)水躍消能率極低，而該閘只采取常規(guī)的水閘消能防沖措施。

2.3　低佛汝德數(shù)消能不充分的對(duì)策

現(xiàn)有的研究成果分析表明，解決低佛汝德數(shù)消能不充分的措施是在傳統(tǒng)消力池的基礎(chǔ)上增加輔助消能工。筆者根據(jù)調(diào)查、資料以及分析水閘低佛氏數(shù)水躍消能中消能率低的本質(zhì)原因，總結(jié)了兩種操作性強(qiáng)的輔助消能工措施。

(1)消能尾坎。針對(duì)低佛汝德數(shù)水躍底部流速大，沖刷作用強(qiáng)的特點(diǎn)，在水躍區(qū)內(nèi)設(shè)置連續(xù)尾坎，該坎具有強(qiáng)烈的反擊作用，可使發(fā)生水躍所需要的共軛水深降低，其效果比設(shè)置水躍末端的池坎效果顯著。對(duì)共軛水深的影響，取決于坎高及設(shè)置位置。

單從降低共軛水深來(lái)講，坎高越高，效果越好，但過(guò)高將在坎后出現(xiàn)二次水躍，過(guò)低則不起多大作用，合理的坎高可按下式選?。?/p>

(2)

坎距坡腳越近，其反擊作用越強(qiáng)，降低共軛水深的效果越好，但距坡腳太近，易于形成二次水躍，流態(tài)不穩(wěn)定，反而失去控制水躍的能力?？簿嗥履_的距離l：

l=(0.6～0.7)l0

(3)

式中：l為坎距坡腳的距離；l0為臨界水躍長(zhǎng)度。

消力池中消能尾坎的布置如圖1所示。

圖1　消力池中消能坎布置示意圖

x0=(0.2～0.3)l0

(4)

作為輔助消能工措施，消能尾坎與消力前墩都可以起到降低消力池深度、減小消力池長(zhǎng)度的作用，但畢竟是輔助作用，對(duì)于低佛汝德數(shù)消能，首先還是進(jìn)行常規(guī)消力池設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上再額外增加輔助消能工。

3　河道下游水位下降對(duì)消能防沖的影響

(1)下游水位對(duì)消力池深的影響。消力池的計(jì)算公式為：

(5)

圖2　水閘消力池池深計(jì)算簡(jiǎn)圖

設(shè)計(jì)消力池時(shí)是考慮最不利組合確定消力池的深度和長(zhǎng)度，但設(shè)計(jì)時(shí)很少考慮下游水位下降的問(wèn)題。近些年來(lái)，由于河道采砂致使所在河道水位下降，有些河道水位(與同時(shí)期或同流量相比)下降1～3 m，特別是水閘下游下降1～3 m，那就意味著ht減小了1～3 m，如果要重新復(fù)核消力池的深度，可能有些水閘的ht是負(fù)值，意味著要達(dá)到消能效果，消力池的深度要額外增加水位下降的深度。而當(dāng)河道下游水位下降時(shí)，原有水閘消能型式以及消力池尺寸是不會(huì)變化的，消力池中原來(lái)的淹沒(méi)式水躍就會(huì)變成遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，水躍將會(huì)被推向水閘下游，水躍可能發(fā)生在海漫段。當(dāng)水位嚴(yán)重下降導(dǎo)致消力池不能消能時(shí)，水躍更不穩(wěn)定，且海漫段不足以承受水躍段高速高能量水流的沖刷，很容易造成海漫段的結(jié)構(gòu)破壞和下游的過(guò)度沖刷。

以武漢市某工程左側(cè)泄水閘工程為例，該泄水閘閘孔寬度9 m，過(guò)閘流量108 m3/s，上游水位為26 m，下游河道水位為23 m。經(jīng)計(jì)算，該水閘躍前斷面佛氏數(shù)為2.723，為低佛氏數(shù)水躍消能。先按常規(guī)設(shè)計(jì)的消力池為挖深式消力池，其深度 4.01 m，長(zhǎng)度 33.2 m。根據(jù)低佛氏數(shù)的增加輔助消能工的手段，在消力池內(nèi)增設(shè)了1.5 m高的消能尾坎和連續(xù)實(shí)體尾檻來(lái)增加水躍段漩滾程度，解決了工程消能問(wèn)題，工程運(yùn)行10年正常。此后的一些年由于采砂嚴(yán)重，造成下游水位不斷下降，枯水位時(shí)即使高程不擋水，上下落差也超過(guò)3 m，水閘消能防沖出現(xiàn)新問(wèn)題。

(2)護(hù)坦、海漫的構(gòu)造。由于消力池內(nèi)水流非常紊亂，護(hù)坦不僅承受自重、水重、揚(yáng)壓力、脈動(dòng)壓力，而且還有水流的沖擊力，受力條件較為復(fù)雜，護(hù)坦材料必須具有抗沖耐磨性，一般采用混凝土或加筋混凝土，其厚度不宜小于0.5 m。為了適應(yīng)沉降、減小滲透壓力，還對(duì)護(hù)坦進(jìn)行了分縫，設(shè)置了反濾層和排水孔等。

以前建造的水閘海漫多采用漿砌石和干砌石，也有后面建造或進(jìn)行加固采用混凝土、鉛絲籠等，以消除水流余能、滿足地基變形與透水要求，使出消力池水流更好地?cái)U(kuò)散,但其抗沖流速只有2～6 m/s。

(3)消能防沖設(shè)施之間是“唇亡齒寒”的關(guān)系為了保證水閘的正常運(yùn)用，防止河床沖刷，一方面盡可能消除水流的動(dòng)能，消除波狀水躍，并促使水流橫向擴(kuò)散，防止折沖水流的出現(xiàn)；另一方面要保護(hù)河床及河岸，防止剩余動(dòng)能引起的沖刷。這兩方面的措施，首先考慮的應(yīng)是消能，其次是防沖。

如果水位下降造成消力池起不到消能的作用或消能不充分，那么出池流速很大，直接沖擊護(hù)坦后面的海漫和防沖槽，時(shí)間一長(zhǎng)，海漫或防沖槽發(fā)生破壞，如不及時(shí)修補(bǔ)，很快沖刷或淘刷底部的地基，危及護(hù)坦的安全，因此，護(hù)坦與海漫、防沖槽之間是“唇亡齒寒”的關(guān)系。

(4)河道水位下降危及水閘安全的對(duì)策。首先是加強(qiáng)河道管理，控制或取締采砂，讓河道逐漸恢復(fù)原狀；其次采取工程措施，如果是水位降幅不大，可以通過(guò)增加消力池尾檻高度，來(lái)提高相對(duì)水深；也可以在消力池中增加輔助消能措施，將底部流速大的水流挑起，減小底部沖刷，同時(shí)使得消力池中水流的紊動(dòng)和摻混更加劇烈，消耗更多能量。如果是水位降幅較大，應(yīng)在下游修建抬高下游水位的小壩，或在護(hù)坦后面再建多級(jí)消力池。在防沖措施中，可以在原海漫上進(jìn)行加固，加大海漫段的長(zhǎng)度和厚度，加大糙率，增大海漫段坡度與下游河床平順連接，確保消能防沖設(shè)施結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

4　結(jié)　語(yǔ)

(1)大量的研究成果表明，底流式消能的效率與閘孔出流處的佛汝德數(shù)Fr密切相關(guān)，F(xiàn)r愈大，消能效率愈高；Fr愈小，則消能效率愈低。因此進(jìn)行消力池的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要復(fù)核計(jì)算閘孔出流處的佛汝德數(shù)Fr，當(dāng)4.5

(2)河道水位下降勢(shì)必造成水閘消力池起不到消能的作用或消能不充分，首先應(yīng)積極控制或取締采砂，讓河道水位不再下降；其次還要采取工程措施，根據(jù)水位下降情況，加固或加強(qiáng)消能防沖設(shè)施。

(3)消能防沖設(shè)施的各自的功能、作用是不相同的，應(yīng)以消能為主，充分消能才能保障整體設(shè)施的安全，消能與防沖彼此之間是“唇亡齒寒”的關(guān)系。

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