水閘防沖設施破壞機理存在問題及設計研究

鞠福勇

(大連市普蘭店區河道管理處，遼寧 大連 116200)

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水閘防沖設施破壞機理存在問題及設計研究

鞠福勇

(大連市普蘭店區河道管理處，遼寧 大連 116200)

深入研究水力學理論科學布置上下游水位的連接段及水閘等擋水建筑物的平面結構，并制定設計合理精確的閘門操作制度，可以最大限度的保證水閘等擋水建筑物的安全運行以及下游河床的安全穩定，其最關鍵的問題就是科學合理的設計水閘消能防沖設施。文章研究分析了水閘等擋泄水建筑物的破壞機理，并針對各個破壞問題分析研究了對應的解決措施僅供參考。文章以水力學理論、水閘的運行特性為依據，系統分析并提出在設計實施水閘等擋水建筑物中應該考慮的原則和注意事項，并為后續的水閘消能防沖設施的設計施工提供了一定建議。

水閘；消能防沖；破壞機理；消能池

1 目前國內水閘建設概況

截至2000年，中國各省地市級政府水利部門管理的大型水閘和中型水閘共3700多座。主要包括：大型水閘486座(過閘流量>1000m3/s)、中型水閘3278座(1000m3/s<過閘流量>100m3/s以上)。調查發現，破壞嚴重的下游河道的擋水設施占全部大中型水閘的42.3%[1]。

目前國內外的專家學者對于水閘消能的研究，已經較為深入廣泛。對于閘下沖刷破壞的研究顯示，產生此問題的原因很多：消能設計條件不合理、閘門開啟不對稱、平面布置不合理、開啟速度過快等。國內常選用最大單寬能量(E=ρgΔHq)作為水閘消能防沖的主要控制條件之一。上游水位和下游水位分別采取提閘泄水時的閘上最高擋水位和相應于前一級開度泄量的下游河道水位及可能出現的最低水位。下游水位要把水位升高滯后于泄量增大的情況及閘門開啟過程中的非恒定流特性考慮在內[2]。

消能防沖的設計條件采取的是恒定流的計算公式，選用門分級開啟逐級試算的方法找出最大單寬量(E=ρgΔHq),此算法導致消能設計標準常常選擇不當，主要是閘門開啟過程中非恒定流水力要素規律的偏差。

以出閘流量、地質條件的消能防沖要求為依據，水閘消能防沖設施主要包括海漫、海漫末端的防沖墻、水閘閘室下游的消力池(護坦)。

消力池(護坦)的主要作用是消除下泄水流的動能，并使得下泄急流迅速變為緩流。

海漫的主要功能是消除經過消力池(護坦)流出的水流的剩余動能，調整流速使水流均勻流出，使得經過消力池(護坦)流出的水流與下游河道水流順利對接。而以防海漫末端被水流沖刷淘空是海漫末端防沖墻的主要作用[3]。

2 水閘消能防沖設施破壞機理存在問題

2.1 水閘設計存在問題

1)消力池(Stillingbasin)傾斜、倒塌的破壞：我國地大物博目前地質勘探工作覆蓋面有限，有些工作了解不到位如河床土質物理力學性指標、閘基礎及設計實施過程中存在的地質問題等引起。

2)水閘的樞紐非理性布置，從而產生回流、偏向水流。

3)消能防沖設施受到沖刷破壞：上游河床的泥沙不斷淤積及整治段偏短引起過閘單寬流量不合理而導致。

4)消能防沖設施磨損、基礎淘刷及氣蝕：由于消能設計不符合消能防沖要求使出閘水流的水流條件及流態受到影響。

5)由于水閘防滲排水設計缺陷引起的一系列問題如：下游擋水設施破壞、流土遭到破壞、消力池底板開裂、地基變形等。

此外，在水閘設計中水力計算方法及參數取用存在問題，海漫長度和防沖墻深度，消力池(Stillingbasin)的長度、深度存在問題等也引起消能防沖設施的破壞[4]。

2.2 工程施工質量及管理存在缺陷

由于工程施工過程程序復雜導致并沒有嚴格按照設計要求施工或者施工監管不嚴格；混凝土澆筑瑕疵不達標、消能防沖設施的結構尺寸不達標、過水部分粗糙、未按時進行修理修繕使得在水閘運行時造成擋水設施的破壞。

在水閘運行管理沒有設計嚴格的制度及措施或者執行不到位，未能按時維護小問題未及時得到妥善處理逐步導致重大損失。水閘運行時未按照嚴格的閘門操作流程執行，閘門開啟存在問題導致流速和局部單位寬度水流量過大引起消力池(護坦)內形成不良流態造成淘刷及磨損等嚴重后果。在運行時未得到確切論證就擅自改變運用條件導致下游河床嚴重沖刷和擋水設施結構的嚴重損壞引起一系列嚴重問題必須引起高度重視。

3 水閘消能防沖設計研究

一般水閘的過閘流量、泄洪方式以及上游水位與下游水位等常常是變化各異的，結合水閘的運行要求、水閘的消能防沖等一系列擋水設施無論在何種水力條件都應符合均勻擴散水流和水流消散動能的要求。

另外因為水流過閘時具有較大的動能，水閘的寬度低于河道的寬度，使得水流過閘量較為集中時，單位寬度的水流量加大導致水流動能增大，從而設計相對應的設施使過閘水流與下游河道有較好的水流對接。

對此建議水閘消能防沖設施的設計需要遵循以下原則：

1)過閘水流流速一般較大而且紊動激烈，須把下游水位的消能問題考慮在內。若水閘抗沖能力小、水頭低、下游水位變化大建議采用底流式消能。

2)消力池(護坦)或其他消能設施應盡可能的滿足水躍共軛水深。

3)對于在下游消能防沖設施的過閘水流形成波狀水躍或沖刷下游河道應該高度重視并采取安全措施。

4)以水力設計為基礎制定閘門控制運用方式來保證工程安全。避免由于閘門控制運用失誤產生水流折沖或水流集中等危險流態而造成沖刷損壞。

消力池(護坦)的主要形式有3種:尾坎式消力池(即在護坦高程末端修建消能坎，形成的平底消力池)、挖深式消力池(護坦高程降低后形成的消力池)綜合式消力池(既有挖深又筑有低坎的消力池型式，較為常用)[5]。

在水閘設計時應根據河道的實際地質物理力學性指標、河道的上游水位與下游水位差值、單位寬度的最大水流量、水閘流量等情況綜合起來并合理的選擇消力池(護坦)形式。同時依照相關要求合理計算消力池的長度與深度和厚度。并計算水閘在運行過程中，消力池必須承受揚壓力、脈動壓力及高速過閘水流的沖擊力，所以消力池必須具有一定強度的抗沖能力應對高速過閘水流的沖擊力還應該滿足抗浮的穩定性要求。

在具體的設計施工中，經常會忽略消力池(護坦)深度與出閘流量之間的關系，認識錯誤慣性思維認為在過閘流量最大時消力池(護坦)深度也最大，因而引起計算失誤。在消力池(護坦)相關深度的確定值計算時，應該根據已有水閘數據假設過閘流量的不同值并算出每個值對應的消力池(護坦)深度，并綜合比較確定最大值作為消力池(護坦)的深度。另外也可以畫出關系曲線(消力池的深度與過閘水流的流量關系曲線)從而確定消力池(護坦)的深度的確定值。

流出消力池(護坦)的水流對河床仍有較強的沖刷能力，在消力池(護坦)抵消水的一部分動能之后，但也由于其他原因使得消力池(護坦)的水流底部流速較大沒有達到正常流態。因此為了避免河道的嚴重沖刷，消力池以下的河道應該使用堅硬的巖基還要設置海漫護底來抵抗沖擊力。

在對海漫設計實施中必須要控制好單位寬度內最大的水流量和水流的擴散度。消力池(護坦)末端河道的土質情況和單位寬度內最大的水流量并結合對應的公式計算得出海漫長度。在下游河道的沖擊力較小時一般選用水平的海漫形式，在下游河道的沖擊力較大時選用傾斜的海漫形式。或者采用結合式即前面一段水平后面一段傾斜。

選用傾斜海漫時一般斜坡采用≤1∶10。由于海漫功能所以海漫應具有較強的河道的沖擊力、表面粗糙性、柔性和透水性。海漫的抗河道的沖擊力是為了保護河道并保證海漫不被水流沖擊破壞。海漫的表面粗糙性的功能是抵消除水流的剩余動能。海漫的柔性是保證海漫在一定范圍內可以順應河道的變化。海漫的透水性是保證抵除來自底部的滲透壓力。

一般情況下應該在海漫的末端增加設置一道海漫的防沖設施，因為流出海漫末端的水流仍然有一定的沖擊力也會在一定程度上影響海漫等消能設施結構的安全。

通常情況下海漫防沖墻采用重力式擋土墻形式(海漫頂面應該和墻頂齊平，墻底高程決定于開挖施工、沖刷深度等條件)。以水閘設計規范的計算公式來計算確定海漫防沖墻深度，在計算過程中應該根據河道地基土顆分曲線確定河床土質允許不沖流速[6]。

在實際情況中如果得值過大使得海漫防沖墻施工經濟壓力大而且施工難以進行，那么可以結合現有成功的案例工程合理確定海漫防沖墻深度。

4 結 論

科學合理的設計水閘消能防沖等擋水設施的保證其安全運行以及下游河道的安全穩定。在整個安全設計的進程中，務必要符合設計要求并且要以實際情況為依據充分地把地質力學條件、消能防沖的各種安全運行方式以及水閘等擋水設施的安全運行考慮到位。

在水閘等擋水建筑物的施工階段，應該要仔細研究成功的水閘案例，確保保質保量監管到位隨時發現問題要進行及時妥善的處理，才能不斷提高水閘消能防沖的科學合理設計的水平。

深入研究水力學理論科學地布置上游水位與下游水位的連接段及水閘等擋水建筑物的平面結構，科學詳細的分析過閘水流的力學性質并精確計算海漫、海漫末端的防沖墻、下游的消力池各部位的數據，同時制定設計合理精確的閘門操作制度，最大限度的保證水閘等擋水建筑物的安全運行并使得盡量減少下游沖擊引來的危害，必須保證人民的生命財產安全。

[1]袁庚堯,余倫創.全國病險水閘除險加固專項規劃綜述[J].水利水電工程設計,2003,22(03):6-9.

[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(05):19-21.

[3]袁劍軍.土石壩防滲墻黏土混凝土材料的工程應用初探[J].水利建設與管理,2013(02):33-35.

[4]艾斯卡爾·吾休爾.水閘消能防沖設計要點分析[J].黑龍江水利科技，2014,10(42):117-118.

[5]文恒,智泓,牟獻友.水閘消能防沖設計條件的確定[J].水利水電科技進展，2015,25(06):11-20.

[6]陳立新,聶世虎,王子朝.水閘深度與長度計算中應注意的問題[J].水利技術監督，2005(04):16-19.

1007-7596(2016)10-0079-03

2016-09-14

鞠福勇(1972-)，男，遼寧大連人，工程師，研究方向為河道治理與管理、水利工程施工、監理、水利工程管理等。

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