對(duì)水閘設(shè)計(jì)問題的補(bǔ)充討論之一
——水閘平面布置與過流能力計(jì)算

茹建輝

(廣東省水利廳，廣州 510635)

1 水閘消能的目的

底流消能是水閘最常見的消能方式。水閘底流消能設(shè)施如同工業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)處理器，把上游需下泄的、具有較高位能的水量，經(jīng)消能設(shè)施處理后，流出的單位水體能量基本與下游河道天然狀態(tài)下單位水體的能量相等，不會(huì)對(duì)河槽產(chǎn)生意外沖刷，能平穩(wěn)地進(jìn)入下游河道，這是水閘消能設(shè)計(jì)的唯一目的。若消能設(shè)施達(dá)不到這個(gè)目標(biāo)，說明此消能設(shè)計(jì)是不徹底的；若下游兩岸受沖刷后須增加意外賠償，說明這個(gè)設(shè)計(jì)是不合格的。

2 水閘消能設(shè)施與下游河道流場(chǎng)的銜接

《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)(以下簡(jiǎn)稱為《規(guī)范》)第5.0.1條有關(guān)水閘水力設(shè)計(jì)內(nèi)容的規(guī)定，與1984版《規(guī)范》和2001版《規(guī)范》完全相同，即包括：閘孔總凈寬計(jì)算、消能防沖計(jì)算和閘門控制運(yùn)用方式的擬定。這3項(xiàng)的要求是完全正確和必要的。筆者建議：保證“閘后水流的流場(chǎng)與下游天然河道流場(chǎng)基本平順銜接設(shè)計(jì)”也應(yīng)是水閘水力設(shè)計(jì)必不可少的重要內(nèi)容。從近幾十年水閘工程的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)來(lái)看，不注意這兩個(gè)流場(chǎng)平順銜接設(shè)計(jì)，無(wú)論新建的還是改建的水閘，盡管進(jìn)行過閘孔總凈寬計(jì)算、消能防沖計(jì)算和閘門控制運(yùn)用方式的擬定，相當(dāng)大部分水閘往往一旦建成運(yùn)用，即出現(xiàn)海漫破壞或下游兩岸被沖損毀。因而，工程的水力設(shè)計(jì)必須首先考慮工程平面布置，使消能設(shè)施后的流場(chǎng)能與下游河道流場(chǎng)平順銜接。

圖1是1984版《規(guī)范》頒發(fā)后廣東省某大型低水頭水閘的一個(gè)案例，原設(shè)計(jì)考慮采用設(shè)置20孔單孔寬為10 m的水閘方案(閘孔總寬與河道寬度比約為0.87)，后為節(jié)省工程量，在認(rèn)為已滿足《規(guī)范》水力設(shè)計(jì)3項(xiàng)要求后，將閘孔減為11孔，集中在右側(cè)，左側(cè)改為溢流壩(平面布置見圖1b)，工程于1990年初建成。由于工程布置迫使過閘流量絕大部分集中在右側(cè)，下游的主槽很快地從左岸移至右岸，同年6月已發(fā)現(xiàn)水閘第7～11孔的海漫被沖毀，其中崩塌部分已發(fā)展到第8孔消力池后部，海漫末端塌陷后最低點(diǎn)高程約為-3.0 m。水閘在開敞泄放中等流量時(shí)，上游來(lái)水在閘上游左側(cè)發(fā)生強(qiáng)烈的收縮，左側(cè)兩個(gè)閘孔的過流很小，過閘水流偏右集中，形成較窄的帶狀折沖水流，一直延伸到海漫下游遠(yuǎn)端。右岸下游的大堤原來(lái)堤前有較寬灘地，自1993年起已有長(zhǎng)700 m變成險(xiǎn)段，部分?jǐn)嗝姹浪€已逐漸越過堤頂中部，大堤被迫后移退建并在堤前專設(shè)防沖設(shè)施；左岸溢流壩下游的消力池和水閘盡管已用導(dǎo)墻分隔，但強(qiáng)烈的回流仍使其下游海漫受損。圖1c為建成10 a后其上下游破壞情況，由該圖可見，即使每年在閘后都拋塊石或石籠搶護(hù)，閘后河床局部沖深仍在-10 m以下。此工程事例筆者在10多年前已詳細(xì)介紹過[1]，該工程事故案例并不罕見，很多工程的這類問題多年以來(lái)一直未能得到妥善處理。為使這些慘痛教訓(xùn)引起水閘設(shè)計(jì)人員足夠重視和上級(jí)專家注意，不得已一再提出，祈望今后的《規(guī)范》能在廣泛收集和總結(jié)已發(fā)生過的工程事故教訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員認(rèn)真做好“在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)以下泄放各種流量時(shí)，閘后水流流場(chǎng)與原河道流場(chǎng)平順銜接” 的設(shè)計(jì)工作。

a 水閘改建前地形

3 閘孔總寬占河道寬度合理比例的討論

《規(guī)范》和前兩版本一樣，在條文說明中都要求閘室總寬度大體上與上、下游河道寬度(即通過設(shè)計(jì)流量的過水寬度)相適應(yīng)，這完全合理。若減小閘室總寬，雖然可以減少閘室的工作量，但為引導(dǎo)閘后水流擴(kuò)散，使之與下游流場(chǎng)平順銜接的工作量會(huì)增大，且其布置和效果難以通過水力學(xué)計(jì)算確定，未必是合理方案。從《規(guī)范》推薦的閘室總寬度與河道寬度的經(jīng)驗(yàn)比值0.6～0.85中套選，隨意性較大，很難達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理。筆者認(rèn)為應(yīng)把方便閘后水流與下游河床水流平順銜接作為確定閘室總寬度的重要依據(jù)之一，這是水閘初步設(shè)計(jì)中樞紐平面布置的重要內(nèi)容。閘孔寬度主要取決于通過設(shè)計(jì)洪水的過流條件，建議：

1) 對(duì)下游兩岸都有堤圍約束、沒有灘地的平原河道，宜盡量使閘室總寬基本與原河槽相同，如廣東省流溪河上的多個(gè)梯級(jí)水閘。

2) 對(duì)兩岸有較寬過水灘地的河道，受上、下游水位差不能超過0.1～0.3 m的限制，水閘總寬須大于河槽。宜先用漫灘水力學(xué)方法(不能用灘槽垂直分割法，分析下游河道通過設(shè)計(jì)流量時(shí)主槽流量[2-3]，閘室總寬應(yīng)使通過設(shè)計(jì)流量時(shí)，在主槽的中部閘孔閘后的過流量與下游河槽的過流量接近；其余兩邊閘孔則泄放相應(yīng)于下游兩岸灘地的過流量，再經(jīng)海漫的調(diào)整，使流出海漫水流的流場(chǎng)與下游基本能平順街接，水閘下游兩側(cè)的導(dǎo)流墻則使部分過閘后水流順利地向兩側(cè)灘地?cái)U(kuò)散。

若閘孔總寬小于主槽，不僅有可能增加上、下游水位差，海漫調(diào)整閘后流場(chǎng)的工作量亦隨之增大，其效果往往無(wú)法用常規(guī)水力學(xué)計(jì)算預(yù)測(cè)，需作更深入的模型分析研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

4 關(guān)于過流能力的合理計(jì)算

在絕大多數(shù)情況下，確定水閘規(guī)模的過流情況是高淹沒度出流，因而確定過流能力首先推薦的計(jì)算方法應(yīng)是淹沒出流，即應(yīng)首推《規(guī)范》中直接由能量方程導(dǎo)出的式(A.0.2)。遺憾的是2016版《規(guī)范》仍維持2001版和1984版的意見，首推堰流公式 (A.0.1)。因其計(jì)算過程較繁冗且未必合理，精度亦未必高，為有助于設(shè)計(jì)人員了解堰流公式 (A.0.1)的來(lái)由，現(xiàn)將其推導(dǎo)過程介紹如下[4]。

設(shè)有如圖2的自由出流寬頂堰，由上游與堰頂斷面間的能量方程，得：

圖2 自由出流寬頂堰示意

(1)

式中：

H0——從堰頂起算的上游水頭；

B0——過水寬度；

β——堰頂收縮斷面的水平壓力與堰頂水深h的比值；

αe——?jiǎng)幽芨恼禂?shù)；

ξ——過堰進(jìn)口的水頭損失系數(shù)。

(2)

(3)

這就是常見的非淹沒出流的計(jì)算式。當(dāng)下游水位升高，影響過流能力時(shí)， 式(3)右邊需乘上不大于1的淹沒系數(shù)σ，式(3)變成：

(4)

這就是常見堰的淹沒出流計(jì)算式，得過水寬度:

(5)

顯然，這就是《規(guī)范》中的式(A.0.1-1)。

隨著下游水位升高，側(cè)向影響效應(yīng)減小，側(cè)收縮系數(shù)ε應(yīng)趨近1.0；同樣隨著下游水位升高，淹沒系數(shù)亦在變小。但《規(guī)范》推薦的側(cè)向收縮系ε計(jì)算式(A.0.1-1)～(A.0.1-5)是用水閘進(jìn)口平面形狀計(jì)算出的、不隨淹沒度變化的固定值，顯然與實(shí)際不符。

在如圖3所示淹沒出流條件下，直接用堰的上、下游斷面列出能量方程，此時(shí)β≈1，用hs近似代替h，過堰的流速系數(shù)φs代替φ，得：

圖3 淹沒出流寬頂堰示意

(6)

顯然，式(6)較簡(jiǎn)單，只有一個(gè)綜合參數(shù)φs，即為《規(guī)范》式(A.0.2-2)中的μ0。

當(dāng)hs/H0=0.9～1.0時(shí)，屬高淹沒狀態(tài)，計(jì)算過流能力時(shí)唯一的參數(shù)μ0=0.938～1.0，計(jì)算的精度明顯可以有效控制。

比較式(4)和(6)得：

(7)

由式(7)可見，淹沒系數(shù)σ不僅是淹沒度hs/H0的函數(shù)，還與堰型有關(guān)，即與φs、ε和流量系數(shù)m都有密切關(guān)系?！兑?guī)范》中式(A.0.1-6)反映σ僅是淹沒度hs/H0的函數(shù)是不合理的，從它擬合的原始資料的文獻(xiàn)[6]可見，σ與hs/H0的關(guān)系較散亂，同一hs/H0值對(duì)應(yīng)的σ值相差較大。以高良澗進(jìn)水閘為例，當(dāng)hs/H0=0.975時(shí)，σ變化范圍約為0.37～0.57；hs/H0=0.93時(shí)，σ變化范圍約為0.66～0.76。

從上面分析可見，式(A.0.1)亦來(lái)自能量方程，但在計(jì)算高淹沒度時(shí)，由于采用了不隨水位變化而變化且計(jì)算繁冗的側(cè)向收縮系數(shù)，采用了由不同工程試驗(yàn)點(diǎn)綜合的、誤差較大的淹沒系數(shù)，用它計(jì)算的成果誤差會(huì)較大?？紤]計(jì)算水閘過流能力時(shí)多屬高淹沒度狀態(tài)，建議設(shè)計(jì)人員改用附錄(A.0.2)計(jì)算高淹沒度狀態(tài)下堰閘的過流能力，即改用附錄(A.0.2)為首推公式。

《規(guī)范》附錄A.0.3條文稱：“對(duì)平底閘，當(dāng)為孔流時(shí)，閘孔總凈寬可按公式(A.0.3-1)～公式(A.0.3-4)計(jì)算，計(jì)算示意圖見圖A.0.3。”這些計(jì)算式與2001版和1984版《規(guī)范》完全相同，是屬于閘 (胸墻)下淹沒出流。水閘可以設(shè)置胸墻來(lái)減小閘門的高度，但通常要求工程通過設(shè)計(jì)洪水流量時(shí)，上、下游水位差不能明顯增加，即不能大于0.1～0.3 m，這是長(zhǎng)期以來(lái)水利工程允許水位對(duì)上游周邊環(huán)境影響的上限(在工程斷面處稱為工程對(duì)天然洪水可忽略影響的極限)?！兑?guī)范》圖A.0.3所示的胸墻下孔口髙度太小，令閘孔通過設(shè)計(jì)洪水流量時(shí)，墻后出現(xiàn)水躍漩滾、孔口為急流的淹沒出流。在此流態(tài)情況下，水閘上、下游水位差可能會(huì)超過《規(guī)范》不得大于 “0.1～0.3 m”的規(guī)定，不僅增大工程量，淹沒賠償亦會(huì)增加，不是合理的閘孔設(shè)置方案，顯然所列出的式子也不是設(shè)置胸墻閘孔過流能力的有效計(jì)算方法。如果是用于由閘門控制的、通過非設(shè)計(jì)洪水條件的閘下出流計(jì)算，則孔口的上方為閘門下緣，為防止振動(dòng)，閘門下緣應(yīng)為銳緣，閘門向上游的仰角應(yīng)不小于60°，向下游的仰角則不應(yīng)小于30°，閘門底緣一般不會(huì)做成圖4所示的圓弧形。

圖4 《規(guī)范》閘下淹沒出流縱剖面示意

合理設(shè)置的胸墻，閘孔口的流速一般應(yīng)小于臨界流速。若以he表示孔口的高度，Δz為上下游水位差，φ為計(jì)及過閘孔水頭損失的流速系數(shù)，此時(shí)閘孔凈寬可簡(jiǎn)單地按下式計(jì)算：

(8)

5 結(jié)語(yǔ)

水閘是水利工程中常見的泄水建筑物，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，可以得到以下結(jié)論：

1) 水閘工程整體布置不當(dāng)造成的后果，要比局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)失誤大得多，在水閘工程進(jìn)行樞紐布置設(shè)計(jì)時(shí)，必須把樞紐下游流場(chǎng)能平順銜接作為重要的設(shè)計(jì)原則。

2) 曾被普遍選用的“閘壩結(jié)合”的水閘布置方式，表面上看似乎節(jié)省了工程量，實(shí)際上后患極其嚴(yán)重且較難補(bǔ)救，設(shè)計(jì)中不宜采用。

3) 對(duì)下游兩岸都有堤圍約束、沒有灘地的平原河道，宜盡量使閘室總寬基本與原河槽相同；對(duì)兩岸有較寬過水灘地的河道，受上、下游水位差不能超過0.1～0.3 m的限制，水閘總寬須大于河槽。

4) 考慮計(jì)算水閘過流能力時(shí)多屬高淹沒度狀態(tài)，建議設(shè)計(jì)人員采用《規(guī)范》附錄(A.0.2)計(jì)算高淹沒度狀態(tài)下堰閘的過流能力。