淺析水閘消能防沖的設(shè)計(jì)

胡素娥

（寧鄉(xiāng)市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，湖南 長沙 410600）

水閘是一種具有調(diào)節(jié)水位和控制過閘流量的水利建筑物，可同時(shí)發(fā)揮攔水和泄水作用，因此在防汛、抗旱、輸水、發(fā)電等水利工程中占據(jù)極為重要的地位，但由于閘基前后水位高程不等，水閘上下游落差會(huì)將水體的勢能大量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，導(dǎo)致過閘水流流速大大提高，從而對下游河床及兩岸產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械沖刷和側(cè)向侵蝕，特別是底部沖刷引起的溯源侵蝕，會(huì)使沖刷范圍從下游不斷后退到達(dá)閘室地基，進(jìn)而造成水閘空懸甚至發(fā)生崩塌。因此，在水閘設(shè)計(jì)中加入有效的消能防沖措施，對于確保水利樞紐的工程安全是至關(guān)重要的。

水閘消能防沖有底流消能、挑流消能和面流消能三種方式，具體方式的選擇主要取決于過閘水流流量、上下游水位差、水利工程的運(yùn)行狀態(tài)，以及工程的地質(zhì)背景等因素。本文以湘江流域溈水河上一座重建的大（Ⅱ）型水閘為例，通過分析不同工況下過閘流量、上下游水位、閘門開啟度等因素，對水閘消能措施的選擇和工程設(shè)計(jì)工藝進(jìn)行闡述，為其他類似水利設(shè)施的消能防沖設(shè)計(jì)提供有效借鑒。

1 工程概況

某大（Ⅱ）型水閘樞紐工程位于湘江長沙段一級支流溈水河的中游，由溢流壩、泄洪閘、沖砂閘、水輪泵、工作橋以及上下游連接段等建筑物構(gòu)成，其主要功能為調(diào)水、防洪、發(fā)電，灌溉耕地面積1.2 萬畝，受益人口達(dá)1 萬多人。水閘區(qū)內(nèi)總的地勢北東部低、西南部較高，屬低山之下環(huán)繞著崗巒起伏的湘中丘陵區(qū)，地面高程80～120 m，崗頂高程300～400 m，相對切割深20～60 m，地勢低緩，谷地較寬闊，屬Ⅰ級階地沖積堆積地貌單元。閘址控制流域集雨面積近1 200 km2，河道干流長度大于60 km，閘址上游坡降平均1.8‰。閘址區(qū)河床寬110～130 m，河床高程57.5～59.7 m，閘上游水深4～5 m、下游水深1～3 m，沿岸多發(fā)育Ⅰ～Ⅱ級階地。

圖1 為溈水河某大（Ⅱ）型水閘上游立視圖。

按中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）和《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2000）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，本工程為Ⅱ等工程，主要建筑物級別為二級，次要建筑物級別為三級，臨時(shí)性建筑物級別為四級；其安全評價(jià)確定的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇。該水閘的軸線總長135.9 m，壩軸線方向從右至左依次布置（如圖1 所示）：右岸水輪泵站9.8 m；固定壩18.5 m，壩頂高程為62.65 m；平板提升門段閘室閘檻頂高程為59.5 m，閘前正常水位為62.5 m，設(shè)置了9 孔，閘孔凈寬10.0 m，閘孔中墩厚度為1.4 m，兩側(cè)邊墩厚度為1.2 m，閘室順?biāo)鞣较蜷L10.0 m，采用平底板型式，閘墩頂部高程為65.5 m；左岸水輪泵站4.6 m。水閘的過流能力（表1）：設(shè)計(jì)洪峰流量（P=3.33%）為1 595 m3/s，相應(yīng)閘下水位63.86 m；校核洪峰流量（P=2%）為1 908 m3/s，相應(yīng)閘下水位64.29 m。

圖1 溈水河某大（Ⅱ）型水閘上游立視圖

表1 水閘過流能力

2 消能措施

水閘消能常用的幾種技術(shù)措施各具特點(diǎn)，其中挑流式消能是借助水閘出口部分的挑流鼻坎，將出泄的高速水流向上拋射使其落入距離閘門位置較遠(yuǎn)的河床尾水中進(jìn)行消能，這種方案施工簡單、后期維護(hù)方便，在中、高水頭泄水工程中應(yīng)用較廣，但對下游的減沖刷效果較弱；面流式消能是利用水閘外側(cè)的跌坎或戽斗，使排泄的急流與下游水體交匯后引發(fā)不同層位的水體旋滾以達(dá)到消能的目的，適用于中、低水頭泄水工程的消能防沖；底流式消能是通過修建消力池等工程來控制水躍位置，利用水躍引發(fā)的表面旋滾和強(qiáng)紊動(dòng)來消除水流的能量，以減少或防止水躍范圍內(nèi)發(fā)生的沖刷作用，在較平緩的平原地區(qū)使用比較普遍。

依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016），對本文選用的實(shí)例水閘進(jìn)行消能防沖水力學(xué)計(jì)算（水閘下游水位與流量關(guān)系見表2），結(jié)果顯示該水閘屬于低堰低水頭閘壩工程，泄洪時(shí)水頭小、流量大?；谒畡?dòng)力學(xué)特征，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，本水閘最終采用底流消能方式來減小泄水對河床的沖刷。

表2 溈水河某大（Ⅱ）型水閘下游水位與流量關(guān)系

3 設(shè)計(jì)工藝

3.1 消力池

底流消能的基本原理是使過閘水流在閘下產(chǎn)生一定淹沒度的水躍來消減水流動(dòng)能，以達(dá)到保護(hù)水躍范圍內(nèi)的河床免受水流沖刷侵蝕的目的，在過閘水流流量較大時(shí)，可在下游形成淹沒水躍；但當(dāng)過閘水流流量較小時(shí)，閘體下游尾水深度要是不能滿足淹沒要求，就會(huì)在下游形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍，對河床產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷侵蝕，此時(shí)必須通過消力池對躍后流體進(jìn)行消能（如圖2 所示）。

圖2 閘外消力池示意圖

水閘外是否需要額外配備消力池來實(shí)現(xiàn)底流消能，可根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）附錄B 推薦，通過比較躍后水深hc″（m）與下游水深hs（m）的大小關(guān)系來進(jìn)行判別，其中躍后水深hc″的計(jì)算方法如下：

式中 hc——收縮水深（m）；

Frc——躍前斷面水流的佛勞德數(shù)；

b1和b2——分別表示消力池首端和末端的寬度（m）；

T0——由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；

α——水流動(dòng)能校正系數(shù)，一般取值1.0；

q——過閘單寬流量[m3/（s·m）]；

g——重力加速度，可采用9.81 m/s2；

φ——流速系數(shù)，取值0.95。

根據(jù)以上公式的計(jì)算，若hc″≤hs，即躍后水深小于下游水深，就意味著閘后不需要再建消力池；要是hc″＞hs，則表示躍后水深不能被閘后尾水淹沒，必須借助消力池來實(shí)現(xiàn)消能。

消力池的復(fù)核計(jì)算包括消力池深度、消力池長度及消力池底板厚度的計(jì)算（如圖2 所示）。

3.1.1 消力池深度消力池深度計(jì)算可依據(jù)式（4）和式（5）：

式中 d——消力池深度（m）；

σ0——水躍淹沒系數(shù)；

ΔZ——出池落差（m）；

hs——出池河床水深（m）。

這里需要指出的是，由于底流消能過程是通過在閘下產(chǎn)生一定淹沒度的水躍來消減水流動(dòng)能的過程，當(dāng)淹沒度過小時(shí)，水躍會(huì)不穩(wěn)定，引起表面旋滾前后擺動(dòng)，而當(dāng)淹沒度過大時(shí)，較高流速水流又會(huì)潛入底層，由于表面旋滾的剪切，摻混作用減弱，使得消能效果反而會(huì)減少。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，水閘閘下消能防沖的洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與該水閘的洪水標(biāo)準(zhǔn)一致，并應(yīng)充分考慮泄放小于消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的流量時(shí)可能出現(xiàn)的不利情況，可在過閘最小流量到最大流量范圍內(nèi)設(shè)定一系列流量Q，求出一系列相應(yīng)的臨界水躍躍后水深hc″及hc″-t（t為下游水深），相應(yīng)于（hc″-t）為最大時(shí)的流量即為消能工設(shè)計(jì)流量。因此，本案例中淹沒系數(shù)設(shè)定值為1.1。

3.1.2 消力池長度

消力池長度按式（6）和式（7）計(jì)算：

式中 Lsj——消力池長度（m）；

Ls——消力池斜坡段水平投影長度（m）；

β——水躍長度校正系數(shù)，采用0.75；

Lj——水躍長度（m）。

3.1.3 消力池底板厚度

消力池內(nèi)水流流態(tài)非常紊亂，底部流速高，壓力脈動(dòng)和流速脈動(dòng)大，需要有相當(dāng)堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)保護(hù)河底，消力池底板（護(hù)坦板）可以保護(hù)河床不受沖刷。護(hù)坦板需要做成等厚、孔下鋪設(shè)反濾層，并且要求工作時(shí)在水流沖擊作用下不會(huì)被掀起和位移，還要在揚(yáng)壓力和脈動(dòng)壓力的合成作用下不會(huì)浮起。因此消力池底板厚度可依據(jù)式（8）和式（9）進(jìn)行計(jì)算：

式中 t——消力池底板始端厚度（m）；

k1——消力池底板計(jì)算系數(shù)，可采用0.175～0.20，在本案例中取值0.18；

q——確定池深時(shí)的過閘單寬流量[m3/（s·m）]；

△H——相應(yīng)單寬流量的上下游水位差（m）；

k2——消力池底板安全系數(shù)，可采用1.1～1.3；

U——底板底面受到的揚(yáng)壓力（kPa）；

γ——水重力密度（kN/m3）；

hd——池內(nèi)水深（m）；

Pm——底板上的脈動(dòng)壓力（kPa），其值可取躍前收縮斷面流速水頭值的5%，底板前半部分脈動(dòng)壓力計(jì)算取“+”號，后半部分脈動(dòng)壓力計(jì)算取“-”號；

γb——池底板的飽和容重（kN/m3）。

上述公式中，式（8）是按照抗沖要求計(jì)算的底板始端厚度，式（9）為按照抗浮要求計(jì)算的底板始端厚度，最終選取二者之中較大的值作為t 值；而底板的末端厚度，可采用t/2，但是不宜小于0.5 m。

以上計(jì)算結(jié)果顯示，該案例水閘的泄洪水頭不高，對應(yīng)的閘下躍前弗勞德數(shù)Fr 低，采用底流方式消能就必須借助消力池實(shí)現(xiàn)躍后水流消能；消力池的結(jié)構(gòu)尺寸確定為：池長30.0 m，其中斜坡段長10.0 m，水平段長20.0 m，池深1.0 m，底板的始端厚度與末端厚度均為0.9 m（見圖3）。

圖3 消力池設(shè)計(jì)圖

3.2 海 漫

由于出消力池后水流仍不穩(wěn)定，依然會(huì)對下游河床產(chǎn)生較大的影響，因此，一般會(huì)在消力池下游加設(shè)海漫，通過海漫進(jìn)一步消除水流的剩余能量，調(diào)整流速分布，使之與天然河道的穩(wěn)定水流流態(tài)接近，以保護(hù)河床免受沖刷。

海漫復(fù)核計(jì)算包括海漫長度和海漫末端河床沖刷深度兩個(gè)方面。

3.2.1 海漫長度Lp

海漫長度可根據(jù)式（10）進(jìn)行計(jì)算，

式中 qs——消力池末端單寬流量[m3/（s·m）]；

△H——上下游水位差（m）；

Ks——海漫長度計(jì)算系數(shù)，取值由河床的土質(zhì)決定，粉砂質(zhì)河床的值最大，為14，堅(jiān)硬粘土河床的取值最小，為7。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該水閘的下游護(hù)坦和海漫的總長度確定為45 m。

3.2.2 末端沖刷深度dm

海漫末端河床的沖刷深度可根據(jù)式（11）進(jìn)行計(jì)算，

s——河床土粒密度，可采用2.65；

g——重力加速度，采用9.81（m/s2）；

d——土?？箾_等效粒徑（m）；

hm——海漫末端河床水深（m）。

參照已建水閘工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，下游防沖槽深度一般為1.5～2.5 m，防沖槽內(nèi)的拋石數(shù)量可根據(jù)下游河床沖至最深時(shí)，塊石可能垮塌的情況而定，此次設(shè)計(jì)取dm值為2.2 m。

4 結(jié)果復(fù)核

本工程采用消力池底流消能。水閘正常擋水工況，上游水位為62.65 m，相應(yīng)下游水位58.0 m，開啟第一孔閘門時(shí)為閘下消能設(shè)計(jì)的控制工況。根據(jù)水力調(diào)洪計(jì)算，在閘門打開孔數(shù)逐步增大時(shí)，下游水深逐漸增大，上、下游水位差逐漸減小，在設(shè)計(jì)、校核洪水工況下閘上、下游水位差僅為0.29 m、0.28 m，此時(shí)下游水深為64.29 m、63.86 m，但泄流量較大，因此設(shè)計(jì)、校核洪水工況不能作為閘下消能的控制工況。

按本實(shí)例水閘的閘上水位62.65 m、閘下起始水位58.0 m 這一水位組合開閘泄水，由于該工程泄洪孔數(shù)較多，在計(jì)算過程中考慮水流在消力池中的擴(kuò)散因素，具體消能計(jì)算結(jié)果見表3。計(jì)算結(jié)果表明：各種工況下消能防沖設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸與閘門的開啟方式關(guān)系密切，應(yīng)盡量先開啟一孔的第一級，然后再開啟其余一孔的第一級，以使消能更充分。

表3 泄洪閘消力池消能防沖計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 語

水閘消能歷來是水利工程中備受關(guān)注的重要課題之一，由于過閘水流受上下游落差作用，大部分勢能會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使其流速急劇增加并在下游產(chǎn)生劇烈紊亂的現(xiàn)象，若無適當(dāng)?shù)南艽胧?，其?qiáng)大的沖刷能力將會(huì)對下游河床及堤岸產(chǎn)生侵蝕破壞，存在嚴(yán)重的安全隱患。因此，在設(shè)計(jì)水閘時(shí)應(yīng)根據(jù)水力學(xué)理論，分析過閘水流的動(dòng)力學(xué)特性，選擇合適的消能方式并準(zhǔn)確計(jì)算對應(yīng)設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸，保證水閘運(yùn)行的工程安全。