湖南省山區河道水閘消能防沖安全評價初探

蔣買勇

（湖南水利水電職業技術學院 長沙市 410131）

山區河道的主要功能是行洪和灌溉。山區河道具有源短流急、水位暴漲暴落、洪峰流量大、歷時短、流速大、破壞性強等特點[1]。山區河道水閘主要任務是調節水位、控制流量和汛期排泄洪水。山區河道水閘的基礎大多位于深厚覆蓋層上，而山區河道單寬流量大、水頭低、弗勞德數低，閘下消能率低，大量能量被水流攜帶到下游后，由于下游河床本身的抗沖能力差，因此消能防沖往往成為影響水閘結構安全的關鍵問題[2]。

湖南省的水閘大多位于山區，且大多建成于20世紀70～80年代，已運行30～40年，根據SL 214-98《水閘安全鑒定規定》要求，水閘投入運用后每隔15～20年，應進行一次全面安全鑒定，因此絕大多數水閘需要展開全面安全鑒定[3]，由于山區河道水閘的工作特點，山區河道水閘全面安全評價的關鍵在于消能防沖的安全評價。本文以工程實例說明山區河道水閘消能防沖安全評價及其加固建議。

1 工程實例

1.1 工程概況

邵陽縣渣灘水閘屬于山區水閘，洪水設計標準為50年一遇，校核標準為200年一遇，消能防沖工程設計標準為100年一遇。該水閘工程的建設，雖按基建程序辦理，但由于左的指導思想干擾，存在“邊設計、邊施工、邊投產”的三邊工程現象。

該工程攔河閘位于河床中部，設15孔溢流閘壩，實用堰型，最大堰高6.7 m，平均堰高5 m，堰頂為寬10 m，高7.3 m的弧形鋼質閘門控制7 m水位，堰頂高程225 m（黃海標高），設計正常控制水位為232.0 m，下游正常枯水位為220.0 m。

原設計 1#、2#、6#～15#水閘下游設挑流鼻坎，鼻坎高程222.50 m，小流量下為挑流消能，大流量為面流消能，鼻坎挑射角 10°，挑流半徑 R=6 m，10#～15#水閘下游護坦長 60 m，寬 32 m，墻高 3.5 m；3#、4#、5#水閘采用底流消能，下游設消力池，池長34 m，池寬32 m，池深2.5 m，消力池底部為埋石混凝土，上部為C20混凝土。

該水閘經過30余年的運行，過閘水流對下游消能設施造成嚴重沖刷破壞：消力池完全沖毀；護坦基礎沖爛，鋼筋裸露；壩前沖刷形成深水潭；下游左右岸護坡沖垮。

1.2 運行方式和流態分析

該水閘正常水位運行時，先開啟4#閘門，再開啟3#、5#閘門，當再開1個閘門，即共開啟4扇閘門時，由堰流流量計算式計算下泄流量相應的下游水位為225.26 m，超過堰頂0.26 m，超過鼻坎2.76 m。可見，1#、2#、6#～15#水閘已無法產生挑流，為面流消能。面流流態比較復雜，在一定跌坎型式，它隨下游尾水條件而變化；在一定流量和跌坎尺寸條件下，隨下游水深的不同，其流態變化及界限水深也不同。面流只在某一水深范圍內發生，大多為回復底流，底部流速較大，造成其下游護坦沖刷嚴重。

根據以上分析，本次計算將對采用底流消能的3#、4#、5#水閘下游消力池和采用面流消能的 1#、2#、6#～15#水閘進行消能防沖復核。

1.3 復核計算

1.3.1 底流消能防沖復核計算

根據《水閘設計規范》（SL 265-2001）中的消能防沖公式計算躍前水深、躍后水深，并判別水躍方式，計算消力池長度、深度。復核原則為：如現狀消能工尺寸不滿足消能要求，則底流消能的消能工不滿足安全要求。驗算消力池長度、深度結果分別詳見表1、表2。

表1 消力池長度計算成果表

表2 消力池深度計算成果表

1.3.2 面流消能防沖復核計算

面流流態水深界限值的計算采用《水力計算手冊》（第二版）介紹的經驗公式。復核原則為：若下游水深ht小于計算的第一臨界水深上限值 為底流流態；若下游水深ht大于計算的第五臨界水深上限值為回復底流。以上兩種情況均為底部流速較大的非面流流態，則面流消能的消能工不滿足安全要求。驗算水閘下游界限水深的計算結果詳見表3。

表3 水閘下游界限水深計算成果表

1.4 結 論

由表1可見，在計算工況1～4下，計算消力池長度均大于原設計的34m，因此原設計采用底流消能的3#、4#、5#水閘下游消力池不能滿足消能防沖要求，且目前消力池已被完全沖毀；由表3可見，1#、2#、6#～15#水閘下游，除計算工況1下為面流流態，其余工況2～4下為底部流速大的回復底流流態，且所設下游護坦偏短、被沖毀。因此，整個水閘的消能防沖不滿足安全要求。目前，該水閘采用連續鼻坎下設護坦和消力池底流消能，經過30多年的運行，消力池擋水墻完全沖毀，護坦和消力池基礎沖爛，鋼筋裸露，并形成面積和深度較大的沖坑，下游兩岸護坡完全沖垮。

2 消能防沖加固建議

湖南省山區河道水閘大多建于20世紀70～80年代，已運行 30～40年，由于種種原因，山區河道水閘現有消能工不能滿足，其加固建議主要有：

（1）改造泄洪閘溢流壩結構合理設計消能設施型式，真正起到消能作用。

（2）按照規范要求設計消能設施尺寸，使其消能工滿足安全要求。

（3）采用纖維混凝土[4]面層重建閘底板及消力池底板，以減少施工期溫度裂縫和運行后的磨損程度。

（4）拋石防沖槽等薄弱部位應用石籠網[5]和拋石混凝土[6]等新材料，以提高結構抗沖能力。

3 結 語

本文結合邵陽縣渣灘水閘消能防沖安全評價，簡要介紹了山區河道水閘消能防沖安全評價的基本內容和方法，依據消能設施現狀和運行方式，通過不同工況條件下的消能防沖計算分析，根據計算結果得出安全評價結論，并提出初步加固建議。根據水利部的要求，當前，正在全國范圍內進行水閘的安全鑒定和設計工作。湖南的水閘大多位于山區河道，消能防沖安全評價是其安全鑒定的重要內容之一，為保證水閘安全鑒定和設計工作的順利進行，應重視消能防沖的計算。本文介紹的山區河道水閘消能防沖安全評價方法可供同行在進行相關工作時參考。

1 賴勇,施林祥,鄭旭明.山區河道生態防洪堤關鍵問題及對策[J].中國農村水利水電，2011(9)：142-144．

2 賴勇,黃榮衛,張永進.浙江省山區水利樞紐工程水閘消能防沖新技術[J].水利水電科技進展,2012（5）:78-80.

3 水利部水利建設與管理總站.水閘安全鑒定技術指南[M].鄭州：黃河水利出版社，2009，2:5-10.

4 朱冠美，楊松玲.三峽工程聚丙烯纖維混凝土的試驗研究[J].人民長江，2002，33(10):39-41．

5 陳忠蘭，古寶和.生態格網在河道整治工程中的應用[J].上海水務,2007(2):28-30．

6 王學森.拋石混凝土的性能改進[J].混凝土,2003(3):63-64.