平原地區(qū)砂性土地基水閘下游河道沖刷問題研究

（宿遷市水務(wù)勘測設(shè)計研究有限公司 宿遷 223800）

1 引言

水流經(jīng)過水閘流向下游時，因具有較大的上下游水位差，同時閘孔寬度一般都小于上下游河道寬，使過閘流量比較集中，單寬流量加大。因此過閘水流具有較大的動能，若不能采取適當(dāng)?shù)南芊罌_措施，勢必沖刷下游河道，甚至危及水閘的安全。

根據(jù)規(guī)范要求，水閘下游的消能防沖設(shè)施包括消力池、海漫、防沖槽等，而且在規(guī)范中都給出了計算的相關(guān)公式，設(shè)計人員通過計算確定各設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸，考慮到過程運行過程中的不確定因素，通常最終取值都會留有余地。但是某平原區(qū)水閘在建成并運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)下游防沖槽后的護坡有不同程度的損壞，消能設(shè)施經(jīng)過復(fù)核都是滿足規(guī)范要求的。針對該工程的情況，本文做了相關(guān)研究。

2 基本情況

平原區(qū)某水閘設(shè)計排澇流量80m3/s，設(shè)計校核流量100m3/s。 該閘采用平底板開敞式結(jié)構(gòu)型式，閘孔為3孔，單孔凈寬8.00m；下游消力池深0.8m，池長15m，海漫長40m。

閘上游護坡及護底、下游護坡、海漫均為C20混凝土護砌，厚度為0.2m，下設(shè)0.1m砂石混合墊層（砂∶石=1∶1），混凝土護坡護底均設(shè)置冒水孔，冒水孔間排距均為1m，梅花形布置。為減少水流對下游的沖刷，改善下游水流條件，在下游混凝土護底的上端12m范圍內(nèi)設(shè)置5排C25鋼筋混凝土消能墩，排距為2m，梅花形布置。

該工程下游河底寬50m，河底高程0.00m，河坡坡比1∶3。設(shè)計排澇標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇。

3 下游河道沖刷情況

該閘在運行約半年以后，管理單位在河道巡查時，發(fā)現(xiàn)下游防沖槽后河道護坡出現(xiàn)不同程度的塌陷、格埂斷裂、護坡下滑等現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場勘查，護坡?lián)p壞部位位于下游防沖槽后兩岸護坡的下部，下滑的護坡順?biāo)鞣较蜷L約10m，沿河坡方向?qū)捈s5m。另外下游兩岸的河道聯(lián)鎖塊護坡均有長度約100m的坍陷段。塌陷部位河坡底腳外存在順河向沖坑，深度1～2m。

4 設(shè)計工況復(fù)核

在發(fā)現(xiàn)下游護坡?lián)p壞后，設(shè)計單位對水閘相關(guān)設(shè)計工況進行了復(fù)核，結(jié)果如下：

4.1 消能復(fù)核

該水閘正常蓄水位為4.1m，相應(yīng)下游水位為3.1m。設(shè)計排澇流量80m3/s，設(shè)計校核流量100m3/s。水閘的消能選取上游設(shè)計排澇水位4.3m、下游河道水位0.5m作為初始水位，閘門逐級開啟進行計算，復(fù)核消力池及海漫尺寸。復(fù)核結(jié)果為：（1）計算值：消力池長度11.2m，消力池深度0.3m，海漫長度23m。（2）設(shè)計取用值：消力池長度15m，消力池深度0.8m，海漫長度40m。

因此，該水閘的消力池深度和長度、海漫長度尺寸均滿足規(guī)范要求。

4.2 下游河道斷面復(fù)核

4.2.1 河道不沖流速計算

根據(jù)巖土工程勘察報告，該水閘下游河底土層為第③層輕粉質(zhì)砂壤土（Q4ml），工程地質(zhì)特征為：灰黃色～淺灰色，夾有粉砂，局部地段夾有粉質(zhì)粘土，干強度中等，中等壓縮性，水平層理發(fā)育，搖震反應(yīng)一般，土質(zhì)不均勻，分布不穩(wěn)定。

該層土顆粒分析結(jié)果：砂粒（0.25～0.075mm）含量40.3%，粉粒（0.075～0.005mm）含量 54.6%，粘粒（＜0.005mm）含量5.1%。選取下游河道不同水深（0.1～3.1m）計算不沖流速，計算的允許不沖流速下限值在0.278～0.829m/s，上限值在 0.371～1.106m/s。

4.2.2 河道斷面復(fù)核

該工程下游河底寬50m，河底高程0.00m，河坡坡比1∶3，對該水閘下游河道按照設(shè)計20年一遇排澇和50年一遇行洪工況進行復(fù)核。復(fù)核結(jié)果為：①20年一遇工況下，下游河道允許不沖流速為0.728～1.201m/s，實際海漫及下游河道流速為0.312～0.719m/s。②50年一遇工況下，下游河道允許不沖流速為0.778～1.244m/s，實際海漫及下游河道流速為0.345～0.717m/s。即在20年一遇排澇校核和50年一遇行洪工況條件下，下游河道流速均小于河道允許不沖流速。

因此，該工程消能及河道斷面均滿足有關(guān)規(guī)范和工程正常使用的要求。

5 護坡?lián)p壞原因分析

5.1 河道土質(zhì)及不沖流速分析

根據(jù)計算結(jié)果，下游河道不沖流速約為0.278～1.106 m/s，河道的輕粉質(zhì)砂壤土在下游水位偏低時啟動流速很小，若出現(xiàn)下游無水，則啟動流速更低。

水閘下游水流可根據(jù)流速分為3段：水閘海漫段、銜接段、水流穩(wěn)定段。其中水閘海漫段流速根據(jù)閘門開啟后的瞬時流量計算，安全開啟高度為保證水躍發(fā)生在消力池內(nèi)部的控制值；水流穩(wěn)定段流速根據(jù)明渠均勻流計算；銜接段的流速介于前面兩者之間，屬于流速漸變區(qū)。

水閘海漫段流速計算成果：在閘門安全開啟度為0.092～0.813m情況下，閘后海漫段單寬流量為0.5～4.5m3/s，總流量為12～108m3/s，相應(yīng)海漫段水深為0.19～1.93m，海漫段對應(yīng)流速為1.235～1.002m/s。

在同樣的閘門開啟度和流量工況下，水流穩(wěn)定段流速計算成果：下游河道水深為0.1～3.1m，河道設(shè)計流量為0.432～140.493m3/s，水流穩(wěn)定段對應(yīng)流速為0.086～0.764m/s。

由上述計算結(jié)果可知，水閘海漫段的水流流速均較大，接近河道不沖流速的上限值，會引起河道沖刷，但該段有消能防沖措施；水流穩(wěn)定段的流速均小于不沖流速的下限值，基本不會引起沖刷；而銜接段的流速位于水閘海漫段和水流穩(wěn)定段之間，且無防沖措施，因此在下游低水位情況下，該段的沖刷是不可避免的。

目前省內(nèi)及國內(nèi)對海漫下游河道銜接段沖刷的研究基本屬于空白，影響的區(qū)域范圍也無法明確界定，只能通過實踐不斷積累經(jīng)驗，為其他工程提供一些參考。

這在《水閘設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)條文變化中也有所體現(xiàn)：

在SL265-2001版中，5.0.7條：水閘閘下消能防沖設(shè)施必須在各種可能出現(xiàn)的水力條件下，都能滿足消散動能與均勻擴散水流的要求，且應(yīng)與下游河道有良好的連接。

在SL265-2016版中，5.0.7條：水閘閘下消能防沖設(shè)施應(yīng)滿足消散動能與均勻擴散水流的要求，且應(yīng)與下游河道有良好的銜接。擋潮閘閘下消能設(shè)計還應(yīng)以控制運行條件下可能出現(xiàn)的最不利潮位作為消能計算條件。當(dāng)閘下河道土質(zhì)抗沖能力較差時，應(yīng)加強閘下一定范圍內(nèi)的抗沖防護措施。當(dāng)下游無水或閘下水深遠(yuǎn)小于躍后水深無法采用底流式消能時，可對閘下一定范圍進行圍封防護。

對比兩版規(guī)范可知，2016版中增加了“當(dāng)閘下河道土質(zhì)抗沖能力較差時，應(yīng)加強閘下一定范圍內(nèi)的抗沖防護措施”，這也是多年的工程經(jīng)驗積累成果。

5.2 水閘運行調(diào)度分析

工程開工后，為保證水閘的安全調(diào)度運行，設(shè)計單位編制了水閘閘門開啟運行控制方案。該方案結(jié)合各水閘所在河道土質(zhì)情況進行計算，明確了建筑物閘門的調(diào)度運行控制的“閘門安全開啟高度—流量關(guān)系曲線”和“安全開啟運行參數(shù)曲線”，并說明了曲線查詢使用方法：（1）下游河道有水時，根據(jù)上下游水位在曲線上查詢安全泄流流量和閘門安全開啟高度；（2）下游河道無水時，應(yīng)將閘門依次開啟0.10m高度，待下游河道水位不斷升高并過流穩(wěn)定時，再按下游河道有水情況進行閘門控制，逐級開啟運行。

以上兩種情況閘門開啟運行時，應(yīng)由中間孔向兩側(cè)依次對稱開啟，由兩側(cè)向中間孔依次對稱關(guān)閉。

《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2016）條文說明5.0.7：水閘控制運用除了控制上游水位，上、下游水位差外，還必須控制單寬流量，多數(shù)水閘沖刷破壞都是由于運行調(diào)度不當(dāng)造成。

若水閘運行過程中，閘門開啟操作未按照控制方案操作，則下游會出現(xiàn)河道沖刷。

5.3 總結(jié)

綜上所述，該水閘防沖槽下游銜接段河道沖刷的原因為：河道土質(zhì)為輕粉質(zhì)砂壤土，不沖流速很小，是最主要的客觀原因；水閘閘門開啟操作可能存在不規(guī)范行為，也是造成沖刷的原因之一。

6 處理措施

在發(fā)現(xiàn)下游護坡?lián)p壞后，建設(shè)與管理單位組織設(shè)計、施工和監(jiān)理單位共同研究商討，確定了修復(fù)加固方案，具體如下：（1）拆除重建防沖槽后損壞的混凝土護坡，坡腳處增做縱向拋石防沖槽；（2）拆除水閘下游損壞的連鎖塊護坡，采用膜袋混凝土對邊坡和坡腳進行護砌；（3）對防沖槽下游河底沖坑及坡面進行拋石或混凝土塊回填。

按照以上方案加固處理后至今約兩年，工程運行良好，下游消能設(shè)施未再出現(xiàn)損壞情況。

7 結(jié)論與討論

水閘下游的消能防沖設(shè)施在工程中的重要性毋庸置疑，相關(guān)的設(shè)計規(guī)范中的設(shè)計原則和要求肯定是正確的。但水利工程的一個主要特點就是差異性，所處的地理位置、地形地貌、水文條件、地質(zhì)條件及功能要求等因素的不同造就了水利工程這一特性。因此在水利工程設(shè)計中，在嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，要結(jié)合實際情況，分析所有工程條件，因地制宜地選擇設(shè)計方案。本文水閘所處的河道土質(zhì)為砂性土，極易沖刷，因此在設(shè)計中可適當(dāng)擴大下游防護范圍，在一定程度上減少下游河道沖刷