基于水流流態(tài)分析的水閘底流消能防沖設(shè)計

孔慶陽，喬婧，丁偉，趙明

（1.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江蘇 連云港 222006；2.東海縣引淮入石芝麻電力翻水站，江蘇 連云港 222300）

1 引言

傳統(tǒng)水閘底流消能防沖方法常常會造成消能不充分的問題，同時在水躍后端常常會出現(xiàn)紊動能、下行波動大的問題，會進(jìn)一步加大對防沖槽的沖擊，造成安設(shè)的防沖設(shè)施出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象[1-2]。因此，國內(nèi)外研究學(xué)者紛紛對消能裝置展開研究，國外學(xué)者闡述了能量概念在結(jié)構(gòu)消能裝置設(shè)計中的重要性，并基于損傷控制的概念，提出了一種將多自由度體系轉(zhuǎn)化為非彈性范圍內(nèi)的等效單自由度模型的顯式方法，以便在有無附加裝置的情況下，方便地進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能的評估。國內(nèi)學(xué)者針對北溪閘下游消能防沖設(shè)施存在的主要問題，運用理論分析和模型分析其原因?qū)嶒?。通過方案比較，這些措施都是為解決工程存在的幾十年安全隱患而采取的，其中主要包括：消力池水躍消能、延伸加筋護(hù)坦及防沖槽除險加固。也有學(xué)者針對平原地區(qū)水閘消能防沖運行的特點，在理論分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出消力池最大水深的計算公式液壓系統(tǒng)。根據(jù)模型試驗數(shù)據(jù)以及消能防沖所需的水流條件，繪制了泄水閘運行控制曲線，并根據(jù)該曲線繪制了水閘運行控制曲線。上述方法在一定程度上減少了防沖設(shè)施被損壞的情況，但是為了保證建筑物及樞紐正常運行，要求做到消能工本身不受空蝕（物體受到氣體空泡流沖擊后表面出現(xiàn)的變形和材料剝蝕現(xiàn)象）、磨蝕等損傷，下游岸坡穩(wěn)定，河床不出現(xiàn)危害性沖刷。對此，本文在充分考慮水躍原理的基礎(chǔ)上，將開展基于水流流態(tài)分析的水閘底流消能防沖設(shè)計研究，設(shè)計水閘底流消力池，通過增設(shè)消力池和在海漫的末端位置設(shè)置防沖槽結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對水閘底流的消能防沖作用，最終通過對比實驗驗證設(shè)計方法的有效性，實驗結(jié)果表明本文方法底流的消能更加充分，降低了底流流速。

2 基于水流流態(tài)分析的水閘底流消能防沖設(shè)計

2.1 基于水流流態(tài)分析的水閘底流消力池設(shè)計

為實現(xiàn)對水閘底流消能防沖，本文結(jié)合水流流態(tài)分析方法對水閘底流消力池進(jìn)行設(shè)計。消力池的結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同水閘類型進(jìn)行調(diào)整，一般情況下消力池分為消力坎式和綜合式兩種結(jié)構(gòu)[3-4]。增設(shè)水閘底流消力池的目的是將泄水過程中水流產(chǎn)生的能量消耗，進(jìn)而形成水躍，將原本存在的水躍條件淹沒。通常情況下，水閘的內(nèi)側(cè)水位要比外側(cè)水位更低，因此在對消力池設(shè)計時，本文采用將水閘底流水深與水流流態(tài)關(guān)系作為基本計算依據(jù)。按照水閘閘孔開孔的數(shù)量以及開啟的高度不同，對消力池進(jìn)行分檔開啟設(shè)置，通過水閘閘孔的具體位置，對水流流態(tài)進(jìn)行計算，并根據(jù)公式得出水閘不同開啟孔數(shù)與開啟度所需要的消力池深度，公式如下：

公式（1）中，L表示為閘孔位置的水流流態(tài)；K表示為分檔高度；δ表示為孔流淹沒系數(shù)；μ表示為孔流流量系數(shù)；m表示為孔口高度；g表示為水躍淹沒系數(shù)；M表示為水閘整體高度。根據(jù)公式（1）得出的閘孔位置的水流流態(tài)，對消力池的各尺寸進(jìn)行計算。首先對消力池的總勢能進(jìn)行計算：

公式（2）中，T表示為由消力池底部到頂板的總勢能；h1表示為消力池在水躍前的水深；φ表示為消力池的流速系數(shù)，通常情況下φ取值為0.86。再對消力池在水躍后的水深進(jìn)行計算：

公式（3）中，h2表示為消力池在水躍后的水深；α表示為水流動能校正系數(shù)；c1表示為消力池最末端的寬度大??；c2表示為消力池最前端的寬度大小。再對消力池出池水位落差進(jìn)行計算：

公式（4）中，ΔE表示為消力池出池水位的落差大小。再對消力池池深進(jìn)行計算：

公式（5）中，d表示為消力池的池深。根據(jù)上述公式得出在達(dá)到預(yù)計消能防沖效果下，消力池各個尺寸大小。本文采用消力坎式消力池，在護(hù)坦結(jié)構(gòu)上設(shè)置消力坎，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示，完成對水閘底流消力池設(shè)計。

圖1 水閘底流消力池設(shè)計

2.2 水閘底流海漫與防沖槽搭建

針對消力池消能后底流中剩余的能量，本文采用海漫與防沖槽搭建的方法將剩余能量盡可能的消除，并調(diào)整在消力池中水流的流速分布，從而恢復(fù)原本水流的狀態(tài)，降低底流對河床造成的不利影響。首先從海漫的功能需求角度出發(fā)，海漫的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備一定的柔韌性，并保證較高的表面粗糙程度[5-7]。其次對海漫的長度進(jìn)行設(shè)計，綜合水閘整體涉及的各項因素。通常情況下，海漫外側(cè)的水位相對較高，因此還需要增設(shè)防滲裝置，在海漫外側(cè)利用鋼筋混凝土材料對其進(jìn)行防滲加固處理，在實際施工過程中保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的厚度不低于0.45 m。

為了進(jìn)一步實現(xiàn)對水閘底流消能防沖處理，還需要在海漫的末端位置設(shè)置防沖槽結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 海漫的末端位置設(shè)置防沖槽結(jié)構(gòu)

防沖槽的作用與海漫相同，主要用于保證河床以及水閘閘室的安全[8-10]。防沖槽的尺寸大小應(yīng)當(dāng)按照水閘底流可能產(chǎn)生的沖刷深度設(shè)置，防沖槽的下游坡率選取比例為2∶1。在防沖槽中放置石塊，保證其體積比水閘底流沖刷后護(hù)坡石塊的方量更大。

根據(jù)實際情況的不同需要，還可以設(shè)置與防沖槽類似的防沖結(jié)構(gòu)，例如尾坎、消力墩等。在防沖槽實際應(yīng)用中，下游的消能防沖設(shè)施會進(jìn)行不斷地改建以適應(yīng)下游水位的變化，因此應(yīng)當(dāng)選擇大型防沖槽，壅高下游水位，從而抵抗下游水位在大幅度降低的過程中造成對水閘、河岸的沖刷[10-12]。

為進(jìn)一步實現(xiàn)對水閘底流的消能防沖作用，還應(yīng)當(dāng)在控制底流沖刷的過程中，控制下游水位的下降。通過護(hù)岸、護(hù)底的方式，抑制水閘底流沖刷的發(fā)展，并通過縮窄河寬、減小水流的方式，在保證流量一定的情況下，增加下游過流水深。

3 實驗論證分析

選取某地區(qū)水閘作為實驗對象，該水閘類型為中型擋潮排澇水閘，由于該水閘使用時間較長，因此需要進(jìn)行重建。

水閘現(xiàn)有結(jié)構(gòu)采用9孔×4.5 m的布置尺寸，其總寬度達(dá)36.24 m，水閘底檻高程為-1.35 m，水閘頂高程為6.25 m，上游連接段與下步河相互連接，下游出口處與外海相互連接。

分別利用本文提出的基于水流流態(tài)分析的水閘底流消能防沖方法與傳統(tǒng)水閘底流消能防沖方法，為該水閘在泄水過程中的消能防沖進(jìn)行設(shè)計，并通過改變水閘的開度大小，對水閘底流流速值進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果與水閘末端水流流速進(jìn)行比較，若流速更接近則說明消能防沖效果更好。分別設(shè)置水閘開度為0.25 e/m、0.40 e/m、0.74 e/m、1.34 e/m和1.58 e/m，5種水閘開度，分別利用本文方法設(shè)計的消能防沖方法與水庫表孔低水頭大單寬流量消能方式完成對比實驗，并比較兩種方法的消能防沖效果，如表1所示。

表1 兩種方法消能防沖效果對比表

為方便對比兩種方法消能防沖效果，將表1中的數(shù)據(jù)用圖3進(jìn)行表述。

圖3 消能防沖效果對比結(jié)果

綜合表1中的數(shù)據(jù)和圖3可知，將本文方法與水庫表孔低水頭大單寬流量消能方式分別與水閘末端水流流速值進(jìn)行比較，由于本文在進(jìn)行一、二級消力時形成了強迫水躍，使得對底流的消能更加充分，降低了底流流速，保證水流與水閘底流銜接更加平順，達(dá)到了削減水能、平緩水流的目的，因此本文方法的底流流速值在1.4 m/s以下，與水閘末端水流流速值更接近，而水庫表孔低水頭大單寬流量消能方式的底流流速值隨著水閘開度的增加而變大，最高可達(dá)3.39 m/s，因此通過對比可知本文方法有效降低了水閘底流與末端水流之間的勢能差。

為進(jìn)一步驗證兩種方法底流消能防沖設(shè)計在實際應(yīng)用中對建筑設(shè)施的安全以及下游河床穩(wěn)定性的作用，對比兩種方法在5次實驗中，每次消能防沖后水流對河床的沖擊程度，得到河床沖擊對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 河床沖擊對比結(jié)果

由圖4可知，由于本文在底流消能防沖設(shè)計時，針對消力池消能后底流中剩余的能量，利用海漫與防沖槽搭建的方法將剩余能量盡可能的消除，并調(diào)整在消力池中水流的流速分布，降低底流對河床造成的不利影響，因此，本文方法對河流的沖擊影響程度在20 %以下，相較于水庫表孔低水頭大單寬流量消能方式較低。

通過實驗證明，本文提出的基于水流流態(tài)分析的水閘底流消能防沖方法具有更好的效果，可用于對水閘泄水過程中實現(xiàn)對河床的保護(hù)。

4 結(jié)論

在對水閘設(shè)計時，其底流消能防沖設(shè)計是尤為重要的，關(guān)系到整個建筑設(shè)施的安全以及下游河床的穩(wěn)定。本文通過對消能防沖的基本原理進(jìn)行探究，提出一種全新的基于水流流態(tài)分析的水閘底流消能防沖方法。在其實際施工過程中，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程的主要目的、水閘運行方式、周圍地形結(jié)構(gòu)等特點，結(jié)合消能防沖的各種形式加以分析，從而選擇最適合的消能防沖方案，經(jīng)實驗證明，本文方法可以有效降低底流的勢能，為水閘底流消能防沖設(shè)計提供參考。