水閘消能防沖設計中遇到的問題探討

摘 要：水閘作為一種擋泄水建筑物在水利工程中應用已經十分廣泛，經對相關病險水閘調查結果可知，大中型水閘的消能防沖設施損壞的異常嚴重，所以水閘的消能防沖設計是重中之重。文章探討了水閘消能防沖設計中遇到的問題，并提出了自己的見解，以供大家參考。

關鍵詞：水閘；消能防沖；設計；問題；措施

引言

根據相關有效數據統計，截止目前，我國國內目前大中型水閘數量已有7000多座，其過閘流量可達8億立方米每秒，隨著時間的推移以及對相關病險水閘調查結果可知，大中型水閘的消能防沖設施損壞的異常嚴重。

1 水閘消能防沖設計介紹

1.1 水閘消能防沖設計中的問題

（1）由于消能設計比較復雜，設計條件惡劣是設計過程中經常遇到的問題。（2）由于上游洪水流量和下游潮位的不斷變化，容易導致過閘水流的水位、流量及流速發生不斷的變化，在設計時，如果分析不周密，而是過于簡單在設定一個上下游水位，就很容易造成消力池計算失誤的問題。（3）當下游的水位較低時，如果只考慮到閘門開度、啟閉順序來設計消力池，而沒能對下游水面曲線進行合理分析，也容易造成消力池消能率的降低。（4）樞紐布置不合理，產生偏向水流或回流，或者由于上游河床淤積，人為縮窄，整治段偏短等原因，引起過閘單寬流量不合理，致使消能防沖設施遭受沖刷破壞。（5）沒能結合實際工況，設置一些消力墩等輔助消能設置，導致出現了水躍現象。（6）施工控制不嚴，消能防沖設施的結構尺寸不符合設計要求，混凝土澆筑質量差、達不到設計強度，過水部分粗糙、沒有進行修整及清理等原因，在運行時容易造成消能防沖設施的破壞。

1.2 水閘消能防沖設計要求

水閘消能防沖設計應遵循以下幾個設計要求：

（1）下游水位的變化幅度大，水頭比較低的地方使用底流消能的方法進行消能。（2）應在可能發生的工作情況下，都能滿足水躍共軛水深的要求。（3）很容易產生波狀水躍和折沖水流，考慮到以上情況在設計水閘的時候，為了防止對下游河床造成嚴重的沖刷。（4）充分的重視，過閘水流在下游形成波狀水躍，沖刷下游河道，要采取適當的措施。

2 水閘消能防沖設計的控制措施

2.1 設計條件的確定

為了防止水閘閘下的沖刷，相關設計人員會將最大單寬能量作為水閘消能與防沖的設計控制條件，針對上游水位，一般會不斷的提高閘上當水位，而下游水位則需要考慮到水位升高之后使得水泄量增加的問題，因此，需要將可能出現最低水位來計算水位，另外，當閘門被開啟的過程中具有非恒定流特性，因此，下游水位需要選擇最低水位來計算，進而有效計算出最大單寬能量，從而計算得出消能防沖的設計條件。但是這種計算方法沒有考慮到閘門開啟時的非恒定流特性以及水利要素變化規律等，最后計算出來的消能設計標準常常不能滿足水閘的消能防沖要求。因此，在進行消能設計標準時需要考慮到閘門開啟過程中非恒定流特性的問題，從而提高消能防沖的使用性能。

2.2 消能方式的選擇

當水閘上、下游水位差較大，且尾水深度較淺時，宜采用二級（如圖1）或多級消力池消能。

圖1 平底突檻式兩級消力池示意圖

2.3 底流消能工設計

（1）消力池的設計：消力池實質上就是形成水躍。消力池的結構型式和尺寸（長、深）應充分滿足底流水躍消能的要求（產生一定淹沒的水躍）。其作用是促成水躍，提高消能效果，降低尾坎高度。最常用的輔助消能工有：尾坎、趾墩、消力墩、消力梁等。如圖2所示。

1-趾墩；2-消力墩；3-尾坎

圖2

（2）護坦的設計：護坦是保護水躍范圍內的河床不受水流沖刷。一般情況下使用100#-l 50#的混凝土作為施工材料。

（3）海漫的設計：海漫設計中首先要控制好水流擴散和單寬流量。根據試驗資料海漫宜做成等于或緩于1：10的斜坡。

（4）防沖槽是進一步消除水流的余能，墻底高程決定于沖刷深度、開挖施工等條件。在設計中確定防沖墻深度，應根據水閘設計規范推薦的公式進行計算，計算中河床土質允許不沖流速應結合河床地基土顆分曲線合理確定。

圖3 水閘閘下消能防沖典型布置圖

3 結束語

水閘的消能防沖設計關系到建筑物的安全及下游河床河岸的穩定。在設計的過程中，首先要符合設計的要求，從工程的實際情況出發，考慮工程的運行和地質地形條件，結合消能防沖的各種形式加以分析比較。在設計、施工過程中，要不斷地借鑒成功的工程設計的經驗，總結自身存在的不足，將理論與實踐相結合，努力提高水閘消能防沖的設計水平。

參考文獻

[1]康立榮，張曉松.沿海擋潮閘水力設計關鍵問題研究[J].南水北調與水利科技，2013（6）：30-35.

[2]李占松，高雙聚，楊玲霞.平原區水閘下游消能防沖與閘門控制運行[J].水利水電科技進展，2011（5）：19-21.

[3]張坤.水閘設計相關問題探討[J].科技與生活，2012（5）：127.