基于低佛汝德數(shù)分析法的水閘底流消能防沖措施分析

谷 明

（惠州市華禹水利水電工程勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 惠州 516003）

當(dāng)前水閘的底流消能防沖設(shè)施主要包含消力池、海漫以及防沖槽等幾種類型，倘若因水位下降導(dǎo)致消力池?zé)o法達(dá)到消能充分的效果，將極有可能使水流出池流速增大而沖擊位于護(hù)坦后方位置的海漫與防沖槽，因此務(wù)必要著重加強(qiáng)對(duì)于消能防沖技術(shù)的把控，提高消能防沖設(shè)施的穩(wěn)定性，從而保障護(hù)坦與閘室的安全。

1 基于低佛汝德數(shù)分析水閘底流消能對(duì)水流流態(tài)的影響

1.1 低佛汝德數(shù)與底流消能的作用機(jī)制

佛汝德數(shù)主要用以表示流體慣性力與重力之間的比值，與慣性力之間成正比、與重力作用之間成反比，其計(jì)算公式為：

其中當(dāng)Fr≤4.5 時(shí)，水流即產(chǎn)生低佛汝德數(shù)水躍現(xiàn)象，水閘底流消能不充分；當(dāng)4.5＜Fr≤9 時(shí)，即發(fā)生充分水躍，水閘底流消能充分；當(dāng)Fr＞9 時(shí)即產(chǎn)生強(qiáng)水躍，此時(shí)水流處于不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生較大的波浪。而在水躍段中水流速度較快，水流相互摩擦釋放出較大的能量，將會(huì)對(duì)河床、周邊建筑物等產(chǎn)生較大的沖刷力，因此務(wù)必要強(qiáng)化對(duì)消能措施的設(shè)計(jì)，真正確保水躍現(xiàn)象在消力池中充分發(fā)生，使水流摩擦所產(chǎn)生的大部分能量在水躍段得到充分釋放，余下能量也會(huì)被防沖設(shè)施、護(hù)坦繼續(xù)耗散，從而良好地規(guī)避對(duì)河床、河岸造成過度沖刷[1]。

1.2 水閘底流消能充分的表現(xiàn)

以消力池作為觀察對(duì)象，當(dāng)發(fā)生在消力池中的水躍現(xiàn)象較為強(qiáng)烈，水流在池內(nèi)呈現(xiàn)出倒流、橫流、摩擦等現(xiàn)象，且回流明顯、旋轉(zhuǎn)區(qū)域不穩(wěn)定時(shí)，既可以判斷出水閘消能較為充分。同時(shí)還可以借助水工模型消能防沖試驗(yàn)進(jìn)行測試，在消力池內(nèi)撒入一定量的漂浮物，倘若觀察到漂浮物在池內(nèi)不停旋轉(zhuǎn)、即將流出消力池時(shí)又被水躍帶回等現(xiàn)象時(shí)，既可以證明其消能較為充分。

1.3 水閘底流消能不充分的影響

基于低佛汝德數(shù)判斷水躍呈現(xiàn)出波浪特征，垂線位置處水流不穩(wěn)定、底部流速明顯較大，即可判斷水流所產(chǎn)生的沖刷作用較強(qiáng)；當(dāng)觀察水躍段發(fā)現(xiàn)其水流漩滾幅度較弱、形成顫動(dòng)水躍時(shí)，即可判斷消力池所產(chǎn)生的消能作用較弱，未能實(shí)現(xiàn)能量的充分耗散；當(dāng)觀察躍首段發(fā)現(xiàn)水流在底部與水面處呈現(xiàn)出上下流動(dòng)狀態(tài)，且整體水躍位置擺動(dòng)形成行進(jìn)波時(shí)，也可判斷消能效果不佳；當(dāng)觀察水躍后端發(fā)現(xiàn)存在紊動(dòng)能、下游波動(dòng)較大，對(duì)于海漫、防沖槽造成了較大的沖擊時(shí)，即可判斷其能量較大，會(huì)對(duì)下游的防沖設(shè)施造成嚴(yán)重影響。

2 案例分析

2.1 工程概況

該水閘位于我國南部某省，主要建筑物級(jí)別為三級(jí)，共設(shè)有28 孔，總凈寬與擋水寬度分別為336 m 和412 m。工程建設(shè)的目標(biāo)是消除水閘隱患、保障行洪安全。水閘樞紐下游為感潮河段，閘基底板處自上而下分別為中粗砂、淤泥質(zhì)砂、軟粘土、雜卵石等復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)[2]。

針對(duì)該水閘進(jìn)行水工斷面模型試驗(yàn)，水閘左右兩岸各設(shè)有兩孔，單孔凈寬為12 m，閘底板堰頂高程為2.9 m，一級(jí)消力池底高程為0.8 m、深度為2 m，二級(jí)消力池底高程為-2.2 m、深1.5 m，閘底末端與一級(jí)消力池的坡度比為1∶4.5。設(shè)水閘上游蓄水位保持在6.3 m 的正常數(shù)值，閘門開度e=0.25 m、0.5 m、1.0 m、1.75 m，其消力池泄流量與流速值見表1。其中一級(jí)消力池內(nèi)形成不完整水躍，二級(jí)消力池中水墊厚度未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，消能不充分。

表1 消力池泄流量與流速值

2.2 輔助消能工措施

2.2.1 設(shè)置消能尾坎

基于低佛汝德數(shù)理念，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水躍呈現(xiàn)出底部流速過大的特點(diǎn)時(shí)，即可在水躍區(qū)進(jìn)行連續(xù)尾坎的布設(shè)，利用其反擊功能降低共軛水深。需要注意的是，應(yīng)當(dāng)針對(duì)坎高與位置進(jìn)行著重設(shè)計(jì)，倘若坎高設(shè)計(jì)得過低將無法起到降低共軛水深的作用，而設(shè)計(jì)得過高甚至還會(huì)引發(fā)二次水躍現(xiàn)象，因此需利用公式選取合理的坎高參數(shù)：

同時(shí)需針對(duì)尾坎與跛腳之間的距離進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，其距離越近所產(chǎn)生的反擊效果越強(qiáng)，有助于更好地發(fā)揮降低共軛水深的作用，但距離過近也極易形成二次水躍，破壞水流流態(tài)的平穩(wěn)狀態(tài)，不利于控制水躍。其距離公式為：

2.2.2 設(shè)置消力前墩

消力前墩具有較強(qiáng)的反擊作用，將其設(shè)置在消力池前段可以有效抑制底部流速過快的問題，降低共軛水深。其中差動(dòng)式消力前墩可以更好地消除水流能量沖擊，在此需針對(duì)前墩與坡腳間的距離進(jìn)行控制，其公式為：

在完成消能尾坎與消力前墩的設(shè)置后，共軛水深可以得到顯著降低，消力池的效率明顯提高，發(fā)揮了較好的消能防護(hù)作用。但還需注意以上兩種設(shè)施主要為消能防沖提供輔助作用，在使用前還需確保針對(duì)消力池進(jìn)行完善設(shè)計(jì)。

2.3 采用不護(hù)底消力池技術(shù)

根據(jù)該工程所處的地質(zhì)條件、水文狀況，擬采用下挖式消力池進(jìn)行消能設(shè)施的重新設(shè)計(jì)，借助1∶4 斜坡面將消力池與閘底板相連，排水試驗(yàn)確定消力池的尺寸大小。通過選取三組典型工況進(jìn)行水力計(jì)算的數(shù)值模擬，分別選取中間閘門、左右閘門、三個(gè)閘門同時(shí)開啟等三種閘門開啟方式，其流量分別為7.25 m3/s、4.23 m3/s、1.19 m3/s，上下游水位分別設(shè)為 2 3.4 m 和19.8 m。擬采用靜水壓力進(jìn)行三種工況下的壓力條件設(shè)計(jì)，通過計(jì)算三者的主流方向水深可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下泄水流與尾坎碰撞后，即會(huì)在消力池內(nèi)部發(fā)生充分水躍，在靠近尾坎位置產(chǎn)生回流、流向下游，而三種工況下水躍與消力池之間的距離分別為6.4 m、4.4 m 和0.7 m，第一種工況下水面線雍高達(dá)到了最大值2.3 m，第三種工況下達(dá)到了最小值1.4 m。同時(shí)，海漫段水流流態(tài)穩(wěn)定，向下游產(chǎn)生的波動(dòng)較小，由此可證實(shí)采用不護(hù)底消力池技術(shù)設(shè)計(jì)后的消力池具有較高的消能率，消能效果明顯[3]。

2.4 加固消能防沖設(shè)施

依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》與水工模型試驗(yàn)進(jìn)行消能防沖設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)上游處于正常水位、下游為最低水位、閘門開啟高度為0.2 m 時(shí)，躍后水深與下游水深之間的差值最大；同時(shí)當(dāng)閘門開啟高度由2 m 轉(zhuǎn)變?yōu)?.5 m 時(shí)，躍后水深與躍前水深的差值最大。針對(duì)此種現(xiàn)象采取一定的防護(hù)措施。

（1）可以將原有消力池拆除，采用一級(jí)池設(shè)計(jì)方案與混凝土結(jié)構(gòu)重建消力池，在結(jié)構(gòu)、孔數(shù)等方面保持原有規(guī)格參數(shù)，將消力池先啟孔與后啟孔處的長度分別設(shè)置為36 m、31 m，將兩部分水平段的頂高程分別降至-4 m 和-3.5 m，利用1∶4 斜坡段將其與閘底板相連，并在先、后啟孔消力池中間設(shè)置頂高程為-1 m 的隔墻，以此消除回流影響。

（2）可以采用二級(jí)消力池型式進(jìn)行設(shè)計(jì)，將第一級(jí)、第二級(jí)消力池的長度分別設(shè)為23 m 和22.5 m, 底部頂高程分別為-3.5 m 和-4.5 m，采用1∶4 斜坡進(jìn)行銜接，同樣也在先、后啟孔消力池中間設(shè)置頂高程為-1 m 的隔墻，削弱回流影響。

這兩種方案設(shè)計(jì)均可以確保在消力池內(nèi)部發(fā)生水躍現(xiàn)象，發(fā)揮良好的消能作用。此外還可以在消力池中加設(shè)消力檻，對(duì)水流流態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高消能率。

3 結(jié)論

消能設(shè)施與防沖設(shè)施之間處于互相依存、互為支撐的關(guān)系，運(yùn)用消能防沖技術(shù)能夠使水流動(dòng)能與波狀水躍得到有效消除，避免剩余能量沖刷閘室、河床與河岸。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)著重加強(qiáng)河道管理工作，針對(duì)采砂作業(yè)予以嚴(yán)格管控，依據(jù)水位下降情況選取有效的措施加固消能防沖設(shè)施，更好地保障水閘安全。