除險加固水閘的消能防沖措施

韓成銀,劉紅軍,傅宗甫,崔 貞

(1.江蘇省洪澤湖大堤高良澗閘加固工程建設處,江蘇 淮安 223199; 2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

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除險加固水閘的消能防沖措施

韓成銀1,劉紅軍1,傅宗甫2,崔 貞2

(1.江蘇省洪澤湖大堤高良澗閘加固工程建設處,江蘇 淮安 223199; 2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

基于某除險加固工程水力學模型試驗,通過對閘下水流流態、流速分布、特征斷面垂向最大平均流速以及沖刷特性的觀測,分析了設計方案條件閘下水流流態惡化及沖刷嚴重的原因,即下游翼墻加固改變了水流的邊界條件,導致出閘水流受到邊界擠壓而主流集中,局部流速增大,沖刷加劇。通過不同消能防沖方案的試驗比較,提出了利用分隔墩消除出閘水流集中的現象；分隔墩消除了主流受邊界擠壓現象,起到了改善閘下水流流態，均化閘下水流流速分布,降低河床最大流速,減輕閘下沖刷的作用,且體型結構簡單,易于施工。

除險加固;水閘;消能防沖;分隔墩

平原水閘的閘下消能防沖關系到水閘結構自身的穩定性以及閘下河道、堤防的安全。根據全國水閘安全普查工作的不完全統計,水閘的各類安全隱患中,閘下游消能防沖設施嚴重損壞占42%左右[1]。水閘工程屬于低水頭控制建筑物,大多采用底流消能方式。關于底流消能的相關研究已經積累了豐富的經驗,主要集中在水躍的水力特性、躍后水流的紊動特性、水躍消能率、消力池形式和輔助消能工的研究上。張挺等[2]通過試驗分析了F形反坡水躍的水力特性,根據試驗結果確定了水躍剖面面積修正系數的值,用以分析確定水躍參數與弗勞德數等之間的關系。周玉香等[3]通過試驗找出了低弗勞德數水躍消能與一般水躍消能規律的本質區別,得出了低弗勞德數水躍在躍后段隨著弗勞德數的減小而出現的水面波動能、斷面流速分布、躍后段長度、底流速等水力要素的變化特點,分析了低弗勞德數水躍消能的一些工程措施。王海云等[4]基于水力學模型試驗對于具有低水頭、大單寬流量、低弗勞德數、深尾水以及下游水位落差變幅大等特點的泄洪消能問題, 提出了采用淹沒式寬尾墩消力池聯合消能方式,較好地解決了下游河床的消能防沖問題。Hasan等[5]提出了利用斷面突然收縮或擴散產生局部范圍內的水流紊動從而進行消能的手段。Kashefipour 等[6]分析了突擴角對空間水躍共軛水深、水躍長度及消能率等特性的影響。Ludovic等[7]采用模型試驗以及數值仿真的方法探討了閘門大開度淹沒條件下水躍區的流速分布及紊動特性,認為高淹沒度條件下閘后水流收縮系數隨閘門開度的增加而增加。李占松等[8]基于模型試驗資料繪制了閘門控制運行曲線圖, 繼而制定了滿足消能防沖要求的閘門控制運行方式。筆者曾經針對超低弗勞德數低尾水條件提出在下游護坦設置梅花形布置的墩群輔助消能工的消能方式,對于解決閘下的二次跌落,增加海漫段水深,減小流速的效果明顯[9]。對于建設年代久遠的水閘,往往存在局部混凝土老化、粗骨料外露、鋼筋銹蝕,致使岸墻、翼墻、閘室閘墻等存在裂縫等安全隱患[10-12]。在對水閘進行除險加固時往往需要對閘墩增設支撐體，對翼墻新建鋼筋混凝土L形墻翼墻加固體等處理[13-14]。

圖1 除險加固水閘布置示意圖(單位:m)

水閘除險加固對閘墩及翼墻的處理雖然增加了結構的穩定性,但諸如翼墻新建鋼筋混凝土L形墻等改變了水閘泄洪時水流的出流邊界,容易產生偏流、主流集中等不良流態,加劇閘下河道與岸坡的沖刷,影響水閘的安全運行。本文結合實際除險加固水閘工程的消能防沖設計開展研究,該工程水閘共16孔,每孔凈寬4.2 m,閘室總寬81.24 m,閘頂高程19.5 m,閘底高程7.5 m,采用消力池消能,消力池底高程5.0 m。閘門為平板直升鋼閘門。上游翼墻圓弧半徑為50 m,下游翼墻為重力式漿砌塊石結構,圓弧半徑為40 m。該水閘建成于1952年,之前共進行過4次較大規模的加固和3次大修,主要是對消力池底板、斜坡段、下游齒坎以及下游翼墻底部進行了加固及改造(圖1)。試驗中針對由于下游翼墻加固導致出閘水流受到邊界擠壓而主流集中、局部流速增大、沖刷加劇等現象,分析了水流流態惡化的原因,并通過不同方案的試驗比較提出了利用分隔墩消除出閘水流偏流、主流集中以減輕沖刷的方法。

1 模型設計及試驗參數

1.1 模型設計

模型按重力相似準則設計,兼顧阻力相似,幾何正態,幾何比尺為1∶40。分定床和防沖槽下游局部動床模型兩種,局部動床模型沙依據原型防沖槽下游附近河床質顆粒級配按泥沙起動流速相似準則進行選擇,比選后模型沙選用中值粒徑為1.1 mm的黑電木粉。為了全面觀測閘下的水流流態、流速分布特征,在水閘下游布置了4個流速測量斷面(從上游往下游依次編號為D01～D04),其中D02號測速斷面對應防沖槽末端,流速測量斷面位置樁號見圖2。

圖2 閘下流速斷面布置示意圖(樁號單位:m)

試驗中水閘水位采用測針量測,測針的測量精度為±0.1 mm,水流流速采用光電旋槳式傳感器進行測量,旋槳式傳感器測量精度±2.5 cm/s,由水工混合模擬測控系統對各測點流速進行實時、同步測量。閘下沖坑深度采用緩慢停水后利用水準測量的方法進行測量,水準測量的精度為±0.5 mm。

1.2 試驗參數組合

過閘水流的流動結構與上下游水位以及流量等參數密切相關,選擇的依據是其組合應該具有廣泛的代表性,而且參數范圍具有外包絡特性。試驗中根據水閘運行的上下游水位及流量范圍,選擇了4個運行頻率較高的上下游水位流量參數組合(表1),分別代表高水位大流量、中水位中流量以及低水位小流量的消能防沖試驗。

表1 試驗水位流量參數組合

2 試驗結果分析

2.1 設計方案試驗

a. 閘下水流流態及流速分布。試驗觀測表明,受消力池兩側加固體平臺的影響,兩邊孔出閘水流不能在消力池內形成水躍,水流主流位于水體表面,并斜向越過消力池尾坎,消力池兩側形成強烈的回流,回流區對出閘水流的擠壓作用明顯,消力池尾坎處的主流寬度約為50 m(相當于中間10孔閘孔的寬度)。剛出消力池的水流主流基本位于河道中部,之后沿程主流不穩定而左右擺動,偏于河道左側的幾率較大,主流的兩側為較大的回流區(圖3(a))。試驗觀測到河道斷面流速分布不均勻,4種工況條件下防沖槽末端斷面(D02)的最大垂線平均流速分別為3.75 m/s、3.08 m/s、1.22 m/s和1.61 m/s(圖3(b))。

圖3 設計方案閘下水流流態及流速分布(工況1)

b. 閘下沖刷特性。設計方案閘下沖刷試驗綜合考慮定床模型閘下水流垂向平均流速的大小以及水深等因素,進行工況1(上游水位17.0 m,下游水位11.0 m,過閘流量1 000 m3/s)和工況4(上游水位14.0 m,下游水位9.0 m,過閘流量350 m3/s)的沖刷試驗。試驗觀測到,工況1雖然閘下水深較大,但是因為過閘流量大使得防沖槽后流速也比較大,對閘下河床的沖刷較為嚴重,試驗測得防沖槽后河床沖坑最深點高程為-3.50 m(沖刷深度達9.5 m),而且沖刷范圍也較大;而工況4雖然閘下水深比較淺,但是過閘流量小使得防沖槽后的流速也較小,對閘下的沖刷較輕,防沖槽后河床沖坑最深點高程約2.94 m(沖刷深度為3.06 m),而且沖刷的范圍相對較小。

c. 閘下水流流態惡化及沖刷嚴重原因分析。從圖1可以看出,設計方案由于水閘閘室水平段末端開始沿翼墻底部設置了頂寬約2.8 m(占2/3閘孔寬度)、頂高程為7.5 m(與閘底板高程相同)的加固體,加固體的高度從閘底板末端的0.0 m漸變到消力池斜坡末端的2.5 m,之后保持2.5 m高度不變。由于閘底板下游翼墻加固體的存在,水閘泄流時邊孔下泄水流約2/3的出流寬度被翼墻加固體侵占而受到約束,從而迫使該部分水流改變流向,向中部斜向流向下游,造成消力池內主流集中,兩側出現回流,并進一步擠壓主流,使得出池水流主流集中,最后導致下游防沖槽后河道局部流速增大,河床沖刷加重,而且下游河道岸腳附近也遭受回流的淘刷。

2.2 比較方案試驗

針對設計方案閘下出現偏流、回流、主流集中、斷面流速分布不均勻、局部流速大等不良的水流流態,嘗試通過對閘下消能工體型的優化來抑制閘下主流集中,消除閘下兩側回流,均化下游河道斷面流速分布,從而減輕閘下沖刷。優化的主要出發點是通過改變消力池尾坎的高度、尾坎的平面布置形式以及在消力池內設置輔助設施等方法,對閘下水流進行調整,各方案體型見圖4。

圖4 各比較方案體型(單位:m)

方案消力池內流態消力池后河道流態D02斷面垂線平均流速/(m·s-1)最大近岸設計方案存在斜流和回流,主流集中主流不穩定,河道左右側存在回流,河道斷面流速分布不均勻3.08-1.44方案1存在斜流和回流,主流集中主流較穩定,河道右側有回流,河道斷面流速分布較不均勻2.65-1.29方案2存在斜流和回流,主流集中主流穩定,河道兩側無回流,河道斷面流速分布較均勻1.330.91方案3存在斜流和回流,主流集中主流穩定,河道兩側無回流,河道斷面流速分布較均勻1.011.22方案4無斜流、回流和主流集中現象主流穩定,河道兩側無回流,河道斷面流速分布較均勻1.560.76

比較方案試驗基于工況2(上游水位16.0 m,下游水位11.0 m,過閘流量800 m3/s)進行,主要比較閘下的水流流態及流速分布,試驗觀測到,相比設計方案,方案1至方案3消力池內流態改善不明顯,出池后的水流流態有不同程度的改善。方案4則對包括消力池在內的整個閘下的水流流態均有大幅改善,完全消除了消力池內的斜流流態,消力池后主流集中及不穩定現象消失,均化了斷面的流速分布。工況2各比較方案閘下的主要水流特性列于表2,為了比較,將該工況設計方案也列于其中。

2.3 優選方案選擇

優選方案的選擇需要結合閘下消力池及下游河道的水流流態、流速分布、河床及岸腳沖刷、構筑物體型結構簡單等因素綜合考慮。從比較方案的試驗結果中可以看出:方案1雖然對閘下河道的流速分布具有一定的均化作用,一定程度上減小了閘下河道斷面最大垂線平均流速和近岸回流流速,但是消力池內流態較差,對下游河道及岸腳的防沖改善效果不理想;方案2和方案3對于均化閘下河道的流速以及降低河道斷面最大垂線平均流速效果顯著,但是消力池內的水流流態較差,下游河道的近岸流速仍然較大,對減輕河床的防沖效果明顯,但是岸腳仍然存在沖刷風險;方案4在兩邊孔閘墩下游增設分隔墩,隔離了消力池內受翼墻加固體擠壓斜向流動的水流,對整個閘下(包括消力池)的水流流態均有大幅的改善,完全消除了消力池內的斜流流態,消力池后主流集中及不穩定現象消失,斷面的流速分布也得到了有效均化,防沖槽斷面最大垂線平均流速及近岸流速均大幅度減小,既大幅減輕了閘下河床的沖刷,又較大程度地緩解了對岸腳的沖刷。另外,方案4還具有體型結構簡單、施工方便、工程量小等特點,因此綜合考慮認為方案4可以作為解決該類除險加固水閘泄洪消能防沖問題的優選方案。

2.4 優選方案試驗

為了進一步了解優選方案的適用范圍,對試驗水位流量組合各工況進行了全面的試驗。

a. 閘下水流流態及流速分布。優選方案在閘墩后的水平段及斜坡段增加了分隔墩,將兩邊孔與相鄰閘孔進行了隔離,各種水位流量組合工況下,消力池內無斜向水流集中和回流現象。出消力池后的水流擴散狀況良好,河道兩側沒有出現回流,閘下水流的主流穩定。河道內橫斷面流速分布得到了很大程度的均化,實測閘下防沖槽末端斷面最大垂線平均流速分別為1.95 m/s、1.56 m/s、0.98 m/s和1.00 m/s(設計方案分別為3.75 m/s、3.08 m/s、1.22 m/s和1.61 m/s),水流流態及垂線平均流速分布見圖5。

圖5 優選方案閘下水流流態及流速分布(工況1)

b. 閘下沖刷特性。與設計方案對應,優選方案的閘下沖刷試驗進行了工況1(上游水位17.0 m,下游水位11.0 m,過閘流量1 000 m3/s)和工況4(上游水位14.0 m,下游水位9.0 m,過閘流量350 m3/s)兩種試驗。試驗觀測結果表明,由于優選方案均化了閘下河道的斷面流速分布,消除了主流集中現象,減小了河道的最大垂線平均流速,因此相較于設計方案,優選方案兩種工況下防沖槽后的沖刷均比較輕,沖刷范圍較小,下游河道岸腳未出現沖刷現象。兩種工況防沖槽后沖坑最深點高程分別為2.74 m和3.02 m,相應的沖刷深度分別為3.26 m和2.74 m(設計方案分別為9.50 m和3.06 m)。

3 結 論

a. 除險加固水閘的消能防沖設計往往由于以往對閘墩及翼墻局部加固處理等改變了水閘泄洪時水流的出流邊界,容易產生偏流、主流集中等不良流態,加劇對閘下河道與岸坡的沖刷,影響水閘安全運行。

b. 水閘翼墻根部的加固平臺對水閘出流影響顯著,消力池內產生斜流,并在兩側形成強烈的回流,回流區對出閘水流的擠壓作用明顯,出消力池的主流集中,流速分布不均勻,下游河道兩側近岸回流嚴重,容易造成閘下河床及岸腳的嚴重沖刷。

c. 通過對消力池尾坎體型(高度及平面形態)的調整可以不同程度地改善出池水流的流態及流速分布,但對于消力池內的斜流無明顯的改善效果。

d. 采用在水閘兩側邊孔與相鄰閘孔間閘墩后增加分隔墩與調整消力池尾坎相結合的方法,可以大幅改善由于翼墻加固平臺造成的水流流態惡化現象,有效減輕閘下河床沖刷,避免岸腳淘刷。

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Energy dissipation and scour prevention measures of reinforced sluices

HAN Chengyin1, LIU Hongjun1, FU Zongfu2, CUI Zhen2

(1.Construction Division of Reinforcement Project of Gaoliangjian Sluice in Hongze Lake Embankment, Huaian 223199, China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Based on hydraulic model tests of a reinforcement project, the water flow pattern, velocity distribution, maximum depth-averaged velocity of a typical section, and scouring characteristics downstream of the sluice were measured, and the cause of water flow pattern deterioration and scour severity under the design scheme were analyzed. The cause is considered to be the change of the flow boundary condition after reinforcement of the downstream wing wall, which concentrates the main flow downstream of the sluice, increases the velocity locally, and intensifies scouring. Through comparison of different energy dissipation and scour prevention schemes, the method of using partition piers to eliminate the flow accumulation is put forward. Partition piers can eliminate the main flow extrusion by the boundary, improve the flow pattern downstream of the sluice, homogenize the velocity distribution downstream of the sluice, reduce the maximum velocity of the river bed, and decrease scour downstream of the sluice. The partition piers have a simple structure and construction.

reinforcement; sluice; energy dissipation and scour prevention; partition pier

韓成銀(1966—),男,工程師,主要從事水利工程管理工作。E-mail:hcyjs@163.com

傅宗甫(1966—),男,副教授,博士,主要從事水力學及河流動力學研究。E-mail:zffu@hhu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.04.008

TV653

A

1006-7647(2017)04-0042-05

2016-06-27 編輯：駱超)