平原區(qū)水閘閘下消能防沖與閘門控制運行探討

梁華鋒

（廣州市天河區(qū)水務(wù)設(shè)施管養(yǎng)中心，廣東廣州 510710）

平原地區(qū)的水閘規(guī)劃及建設(shè)過程中，水閘通常設(shè)計為多孔，實際工作過程中采用局部開啟的工作方式。這種開啟方式會使水閘閘下消能防沖出現(xiàn)一些問題，實際控制管理出現(xiàn)差錯或設(shè)計不科學(xué)時，工程存在嚴重的安全隱患。在實際工作中，必須對水閘閘下消能防沖及閘門控制運行工作加強重視，保證整個水利工程安全運行。

1 平原區(qū)水閘閘下運行基本情況

平原地區(qū)河床的土質(zhì)主要以軟弱土體和肥沃土質(zhì)為主，受水流沖擊時，比較容易形成沖刷痕跡和渠道。水閘過水時的動力模式會產(chǎn)生一定的多余能力，多余的能量也會形成沖刷痕跡與渠道。沖刷痕跡與渠道會對水閘的正常運行產(chǎn)生一定影響，使河床寬度大于閘寬，河道寬而淺，造成過閘水流不容易擴散。

為了避免以上問題的產(chǎn)生，在水閘閘下消能防沖與閘門控制的過程中，應(yīng)當(dāng)制定一個科學(xué)合理的水流量控制標準，結(jié)合消能與消防措施，有效控制水流量，提升水閘閘下的抗沖刷能力。

水流量越大，沖刷能力和動力越大，對河床造成的影響越大。此時，水流經(jīng)過閘門時不會迅速擴散，會對周邊的建筑物體造成不利影響。水流的主流與回流也會因此而受到擠壓，出現(xiàn)回流沖水流現(xiàn)象。應(yīng)當(dāng)加強對各影響因素的綜合考慮，對其進行科學(xué)管理。

2 平原區(qū)水閘閘下消能防沖及閘門控制研究現(xiàn)狀

平原區(qū)的水閘大多為多孔，實際使用過程中多為局部開啟，能夠?qū)﹂l下消能防沖造成影響的因素較多。消能防沖設(shè)計不當(dāng)或閘門控制運行存在問題，會造成嚴重的后果。

（1）對平原區(qū)水閘部分開啟狀態(tài)下的水流轉(zhuǎn)化及狀態(tài)進行研究。

（2）對閘下各種水躍形式進行研究。

（3）根據(jù)一些資料對折沖水流出現(xiàn)因素進行分析，判斷折沖水流簡單數(shù)學(xué)模型。

（4）針對具體的水利工程，對消能防沖問題進行應(yīng)對解決，結(jié)合平原區(qū)水閘特點進行消力池設(shè)計研究[1]。

（5）通過設(shè)計及運行管理等方面研究，提出有效預(yù)防下游沖刷破壞影響的相應(yīng)措施。

3 水閘閘下消能防沖必備條件及下游控制水位選擇

3.1 水閘閘下消能防沖必備條件

平原區(qū)河道地質(zhì)大多為黏土、亞黏土等，地質(zhì)構(gòu)造抗沖擊較小。水閘實際運行時，需要保證消力池符合常規(guī)消能要求，對折沖水流、下游河道中斷面平均流速及回流區(qū)強弱等因素進行綜合考慮和分析。

（1）消力池中不可出現(xiàn)遠驅(qū)水躍，池后不能出現(xiàn)二次水躍。

（2）部分閘門開啟后，不能出現(xiàn)較大的折沖水流。

（3）閘門大開度運行不可出現(xiàn)不穩(wěn)定的水躍。

（4）防沖槽后不能出現(xiàn)強回流區(qū)域。

（5）防沖槽后的流速必須小于不沖允許流速，海鰻段與消力池流速均應(yīng)小于不沖允許流速。

3.2 各種狀態(tài)下可允許下游控制水位選擇

閘門控制運行圖繪制過程中，閘上水位應(yīng)為設(shè)計水位，通常節(jié)制閘閘上水位均處于設(shè)計水位旁邊，設(shè)計水位是整個消能最危險的水位。設(shè)計水位比閘上實際水位高時，相對安全，如果閘下水位變化較大，尤其是出現(xiàn)梯級水閘時，閘下水位和閘出流量及下級水閘運行狀態(tài)必然受到影響。

進行小流量釋放時，下游水閘不蓄水，下游河道呈現(xiàn)枯水狀態(tài)，情況極為危險。整個閘出流量由下游蓄水情況與上游來水情況同時控制，閘門控制運行要求解決的關(guān)鍵問題是要求水閘進行某流量釋放時，對應(yīng)的閘門開啟方式及下游水位控制[2]。

如果低于一定水位必然難以運行，高于該水位時可以運行。實際實施過程中，水流極為復(fù)雜，各種影響因素較多，難以同時符合消能沖防的幾個條件，實際下游水位通常由水工模型相關(guān)試驗確定。

4 某工程閘下消能防沖與閘門控制運行分析

某水利樞紐工程為節(jié)制閘工程，有11孔弧形閘門，閘門凈寬12 m、設(shè)計水位46.0 m、設(shè)計流量3 500 m3/s、上下游河道底部高程35.0 m，上游河底與閘底板齊平。通過計算及試驗確定，閘下消力池深1.5 m、整個池長度26 m，整個水工模型試驗長度比尺采用λL為80 m。根據(jù)盡量多開孔及對稱開啟原則進行試驗。

通過試驗對比可知，如果開啟2孔，應(yīng)該以3號與9號為最佳；如果開啟4孔，以3號、5號、9號為最佳；如果同時開啟6孔，應(yīng)該以1號、3號、5號、7號、9號、11號為最佳。

（1）在這三類情況中，Z下min直接由消力池中水躍狀態(tài)決定。

（2）開啟孔數(shù)為2個及4個，開度分別為1.0與2.0 m時，水流出現(xiàn)明顯折中，實際運行過程中，應(yīng)禁止開啟孔數(shù)2個、開度1.0 m和開啟孔數(shù)4個、開度2.0 m兩種情況。

（3）開啟孔數(shù)為6個、開度1.5 m時，Z下min由下游河道流速決定。

（4）開度為2.0 m時，不出現(xiàn)不穩(wěn)定水躍對應(yīng)值。

（5）開度超過2.0 m時，單款流量變大，水流出池后出現(xiàn)明顯波動，且流速大，難以進行調(diào)整。開啟孔數(shù)為6個時，避免開度超過2.0 m。

（6）開啟孔數(shù)為11個時，Z下min由下游河道流速決定，以閘門開度與下游水位為縱橫坐標，依據(jù)實際開啟孔數(shù)、上游水位在設(shè)計水位時的情況，繪制整個閘門控制運行曲線，曲線右側(cè)為可開區(qū)，曲線左側(cè)為不可開區(qū)。

最低水位Z下min對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 最低水位Z下min對應(yīng)關(guān)系

設(shè)計工況如表2所示。

表2 設(shè)計工況

5 平原區(qū)水閘閘下消能防沖具體設(shè)計要點

（1）消力池布置。

消力池布置如圖1所示。

圖1 消力池布置

池底高程及消力池深度按照過閘流量、上下游水位及實際地質(zhì)地形等情況進行水躍計算，有時此計算結(jié)果為負值或0，理論上不要求進行消力池設(shè)計，但實際工程應(yīng)用過程中仍需要設(shè)置一定的消力池，以實現(xiàn)流速調(diào)整、充分消能及穩(wěn)定水躍位置。消力池長度最本質(zhì)的要求是保證水躍控制在池內(nèi)，消力池的長度直接與水躍長度相關(guān)。水平護坦上出現(xiàn)的自由水躍所需消力池極長，且與各級泄流量存在一定矛盾，實際工程實施時較少使用[3]。

（2）防沖槽及海鰻設(shè)計。

過閘水流水躍消能結(jié)束后，內(nèi)部40%～70%的能量被消耗，但紊動現(xiàn)象依舊明顯，其底部流量分布不均勻且流速較大，必須采取一定的處理措施，在消力池布置后仍需要布置防沖槽消除能量。

（3）河岸防護。

為了保證上下游兩岸不受水流沖刷，必須進行一定的河岸防護，河岸防護長度應(yīng)超過護底長度，最少延伸至沖刷末端[4]?？拷l門的一定距離內(nèi)流速較大，護岸材料通常選用現(xiàn)澆混凝土及一些混凝土預(yù)制塊，其余護岸部位使用砌塊石，塊石厚度通常為0.5 m，混凝土護岸厚度范圍應(yīng)為0.12～0.15 m，加墊一些碎石墊層。

（4）輔助消能工。

水閘閘下的水流速度<16 m/s時，需要在消力池中設(shè)置輔助消能工，提升消能工作效率，縮短消力池長度，增大消力池深度或降低尾坎高度。常見的輔助消能工主要包括趾墩和消力墩兩種類型。趾墩應(yīng)設(shè)置在消力池斜坡的末端，可以縮短消力池長度，增大消力池深度或降低尾坎高度。消力墩應(yīng)設(shè)置在消力斜坡的平面，可以分散水流，增加消能效果。水頭較低時，消能效果不明顯，甚至發(fā)生水流紊亂現(xiàn)象。

6 結(jié)語

平原區(qū)水閘大多為多孔運行，實際運行過程中局部開啟，影響消能防沖的因素較多，效能設(shè)計不合理或?qū)嶋H控制管理不當(dāng)，會產(chǎn)生非常嚴重的安全隱患。本文對當(dāng)前平原區(qū)水閘閘下消能防沖及閘門控制運行研究現(xiàn)狀進行敘述，對需要遵照的條件及下游控制水位進行分析，結(jié)合某工程對閘下消能防沖與閘門控制運行進行具體分析。結(jié)果對制定閘門操作制度、合理保護河岸及促進水流擴散、降低下游沖刷危害等方面均具有重要的意義。