水閘底流消能防沖關鍵技術研究
2018-04-13 02:25:07石自堂汪洹湛
中國農村水利水電 2018年3期
李 倩，石自堂，汪洹湛
(武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)
水閘的底流消能防沖設施通常是采用消力池、海漫、防沖槽。消力池緊接閘室，促使出閘水流在池內產生水躍，以消除水流的動能，保護河床、河岸免受沖刷。其后的海漫進一步消除水流剩余的動能，調整水流的流速分布。海漫末端常設防沖槽，以防海漫下游河床沖刷而影響海漫的安全。
水閘底流式消能的效率與閘孔出流處的佛汝德數Fr密切相關，Fr愈大，消能效率愈高；Fr愈小，則消能效率愈低。
(1)國外學者從20世紀50年代開始對低佛汝德數水躍的消能進行研究，尋求合適的消能方式來解決低佛氏數消能的不足。美國墾務局推薦了USBR-Ⅳ型和USBR-Ⅲ型消力池，前者由趾墩和連續性尾檻組成，可消除水面波浪，池長與自由水躍基本相等，沒有縮短消力池長度，后者在前者的基礎上，在池中布置了一排消力墩，加大池中水流摻混，可使池長縮短為水躍長度的40%左右；1948年Blaisdell推薦了SAF型消力池，通過趾墩、消力墩和連續性尾檻的組合來增加消能，其應用于美國中小型水利工程，可縮短池長70%以上；1969年印度標準研究所建議采用ISI型消力池，池內采用梳流墩、消力墩和差動式尾檻組合，可有效提高消能效率，并消減水面波浪，池長可縮短30%。
(2)在國內也進行了大量的研究，主要從4個方面的措施來減小低佛氏數水閘消能的危害：①輔助消能工。消力墩、消力坎等布置在消力池段的輔助消能措施，主要是通過將水流挑起，使底部較大流速的水流挑起至水部上層，增加消力池中水躍的漩滾和摻混程度，加大水流能量的耗散，來縮短池長、提高消能效率。②多級消力池。當水流流出消力池后，仍具有較大動能，在下游河床允許的情況下，可布置二級消力池，使之發生二次水躍，進一步消能。③改變出口條件。通過改變消能工末端水流出口條件，如擴散、收縮、碰撞來增加消能效果，其代表消能方式有擴散式消力池和對沖式消力池等新型消能工。④改變消力池入口條件。其代表消能方案是寬尾墩聯合消能工，增加水流的橫向收縮和豎向擴散，二元水流變三元，增加水流的摻氣和紊動，增加能量消耗。同時，可以通過幾種消能方式的組合、傳統消能方式與輔助消能工的巧妙組合，可以獲得更好更有效率的消能效果。
1 問題的提出
當一些水閘采取底流消能時，通常采用《水閘設計規范》進行消力池的設計，其消能效果往往不如預期理想，消力池內無法形成充分的完全水躍，消能不足，從而使其后的防沖結構和河床出現一系列沖刷問題。盡管現有研究成果不乏有一些解決手段，但當前大多數工程仍處于在先出現問題然后再解決問題的階段，而不是預防問題發生。其根本在于沒有從本質上了解水閘底流消能消能率低、消能不充分的原因。在《水閘設計規范》中也未提到有關水閘低佛氏數消能的情形，而將消力池的設計方法進行了統一，這樣使得設計出的部分消力池不滿足消能要求。
此外，水閘下游受水流沖刷的影響，特別是有些河道采砂，引起下游河道水位的下降，改變了水閘消能防沖的當初設計條件，當水位下降變幅較大時，如果沒認識到對水閘危害，不采取新的措施、辦法，消能防沖設施會繼續遭受破壞。
2 低佛汝德數消能問題
佛汝德數，被定義為：
(1)
表征流體慣性力與重力的比值，Fr值越小，重力作用影響越大，慣性力影響越小。研究表明，當4.5
2.1 水閘消能充分的水流流態的特征
根據我們相關的水力學水工模型試驗和調查的一些水閘的消能防沖資料，發現水閘消能充分的水流流態除了水躍段水流漩滾、水體質點間發生強烈的紊動和摻混作用，水體中存在著渦體等，還具有下列看得見或感覺到的水流流態特征：
(1)消力池內存在明顯的回流且區域不穩定。消力池內水躍強烈躍起后在池內翻滾，表層水流有倒流、橫流、順流等雜亂無章的狀態外，同時水流在池內相互擠壓、摩擦，可以明顯看到一至幾個回流區不停旋轉，且旋轉區域不停在移動、變換。
(2)消力池內表層漂浮物很難漂出池外。在現實當中經常會看到一些人在消力池內游泳，偶爾聽到有個別人游不出來的消息。我們在做新疆提孜拉那甫河紅衛渠首的水力學水工模型消能防沖試驗時，特地在消力池內撒下一些紙屑、泡沫等漂浮物，結果發現大部分漂浮物被水流帶到下游，但有少數漂浮物還漂浮在池內水面不停在旋轉，當即將被水流帶出池的時候又被水躍帶回來，此流態不停地在池內重復，因此也印證了水閘泄水時在消力池游泳是很危險的。
2.2 消能不充分的水流特征和危害
低佛汝德數水躍具有較強的波浪特征，水流極不穩定；垂線上流速不均，底部流速大，沖刷作用強；水躍段水流漩滾發展不充分，幅度小而弱，甚至形成顫動水躍，耗散的能量少，消能率較低，消力池消能作用小；躍首從底部到水面的水流做不規則的周期性上下擺動，水躍整體位置也會做周期性前后擺動，形成“行進波”；水流躍后段所攜能量較大，帶有大量紊動能，對海漫、防沖槽等沖擊較大，且下游波動加劇，波動范圍加大，需要相當長一段距離，能量才能耗散，給下游防沖帶來了較大問題。
以湖北某水閘工程為例，該水閘是一座以灌溉為主，兼有防洪、供水和發電的擋水建筑物，屬中型Ⅲ等工程，由攔河閘、右岸沖沙閘和三級電站組成。取攔河閘為研究對象，5孔閘孔，凈寬45 m，設計流量881 m3/s，底板高程27.3 m，當灌溉或發電時控制上游水位32.37 m。有消力池深1.6 m，池長36.0 m。水閘泄水消力池內看不見水閘消能充分的水流流態的明顯特征。運行一段時間后，海漫沖毀，消能防沖結構已無法正常運行。后找原因，計算躍前斷面的佛汝德數Fr為2.21，水閘泄水時水躍消能率極低，而該閘只采取常規的水閘消能防沖措施。
2.3 低佛汝德數消能不充分的對策
現有的研究成果分析表明，解決低佛汝德數消能不充分的措施是在傳統消力池的基礎上增加輔助消能工。筆者根據調查、資料以及分析水閘低佛氏數水躍消能中消能率低的本質原因，總結了兩種操作性強的輔助消能工措施。
(1)消能尾坎。針對低佛汝德數水躍底部流速大，沖刷作用強的特點，在水躍區內設置連續尾坎，該坎具有強烈的反擊作用，可使發生水躍所需要的共軛水深降低，其效果比設置水躍末端的池坎效果顯著。對共軛水深的影響，取決于坎高及設置位置。
單從降低共軛水深來講，坎高越高，效果越好，但過高將在坎后出現二次水躍，過低則不起多大作用，合理的坎高可按下式選取：
(2)
坎距坡腳越近，其反擊作用越強，降低共軛水深的效果越好，但距坡腳太近，易于形成二次水躍，流態不穩定，反而失去控制水躍的能力。坎距坡腳的距離l：
l=(0.6～0.7)l0
(3)
式中：l為坎距坡腳的距離；l0為臨界水躍長度。
消力池中消能尾坎的布置如圖1所示。
圖1 消力池中消能坎布置示意圖
x0=(0.2～0.3)l0
(4)
作為輔助消能工措施，消能尾坎與消力前墩都可以起到降低消力池深度、減小消力池長度的作用，但畢竟是輔助作用，對于低佛汝德數消能，首先還是進行常規消力池設計，在此基礎上再額外增加輔助消能工。
3 河道下游水位下降對消能防沖的影響
(1)下游水位對消力池深的影響。消力池的計算公式為：
(5)
圖2 水閘消力池池深計算簡圖
設計消力池時是考慮最不利組合確定消力池的深度和長度，但設計時很少考慮下游水位下降的問題。近些年來，由于河道采砂致使所在河道水位下降，有些河道水位(與同時期或同流量相比)下降1～3 m，特別是水閘下游下降1～3 m，那就意味著ht減小了1～3 m，如果要重新復核消力池的深度，可能有些水閘的ht是負值，意味著要達到消能效果，消力池的深度要額外增加水位下降的深度。而當河道下游水位下降時，原有水閘消能型式以及消力池尺寸是不會變化的，消力池中原來的淹沒式水躍就會變成遠驅式水躍，水躍將會被推向水閘下游，水躍可能發生在海漫段。當水位嚴重下降導致消力池不能消能時，水躍更不穩定，且海漫段不足以承受水躍段高速高能量水流的沖刷，很容易造成海漫段的結構破壞和下游的過度沖刷。
以武漢市某工程左側泄水閘工程為例，該泄水閘閘孔寬度9 m，過閘流量108 m3/s，上游水位為26 m，下游河道水位為23 m。經計算，該水閘躍前斷面佛氏數為2.723，為低佛氏數水躍消能。先按常規設計的消力池為挖深式消力池，其深度 4.01 m，長度 33.2 m。根據低佛氏數的增加輔助消能工的手段，在消力池內增設了1.5 m高的消能尾坎和連續實體尾檻來增加水躍段漩滾程度，解決了工程消能問題，工程運行10年正常。此后的一些年由于采砂嚴重，造成下游水位不斷下降，枯水位時即使高程不擋水，上下落差也超過3 m，水閘消能防沖出現新問題。
(2)護坦、海漫的構造。由于消力池內水流非常紊亂，護坦不僅承受自重、水重、揚壓力、脈動壓力，而且還有水流的沖擊力，受力條件較為復雜，護坦材料必須具有抗沖耐磨性，一般采用混凝土或加筋混凝土，其厚度不宜小于0.5 m。為了適應沉降、減小滲透壓力，還對護坦進行了分縫，設置了反濾層和排水孔等。
以前建造的水閘海漫多采用漿砌石和干砌石，也有后面建造或進行加固采用混凝土、鉛絲籠等，以消除水流余能、滿足地基變形與透水要求，使出消力池水流更好地擴散,但其抗沖流速只有2～6 m/s。
(3)消能防沖設施之間是“唇亡齒寒”的關系為了保證水閘的正常運用，防止河床沖刷，一方面盡可能消除水流的動能，消除波狀水躍，并促使水流橫向擴散，防止折沖水流的出現；另一方面要保護河床及河岸，防止剩余動能引起的沖刷。這兩方面的措施，首先考慮的應是消能，其次是防沖。
如果水位下降造成消力池起不到消能的作用或消能不充分，那么出池流速很大，直接沖擊護坦后面的海漫和防沖槽，時間一長，海漫或防沖槽發生破壞，如不及時修補，很快沖刷或淘刷底部的地基，危及護坦的安全，因此，護坦與海漫、防沖槽之間是“唇亡齒寒”的關系。
(4)河道水位下降危及水閘安全的對策。首先是加強河道管理，控制或取締采砂，讓河道逐漸恢復原狀；其次采取工程措施，如果是水位降幅不大，可以通過增加消力池尾檻高度，來提高相對水深；也可以在消力池中增加輔助消能措施，將底部流速大的水流挑起，減小底部沖刷，同時使得消力池中水流的紊動和摻混更加劇烈，消耗更多能量。如果是水位降幅較大，應在下游修建抬高下游水位的小壩，或在護坦后面再建多級消力池。在防沖措施中，可以在原海漫上進行加固，加大海漫段的長度和厚度，加大糙率，增大海漫段坡度與下游河床平順連接，確保消能防沖設施結構安全穩定。
4 結 語
(1)大量的研究成果表明，底流式消能的效率與閘孔出流處的佛汝德數Fr密切相關，Fr愈大，消能效率愈高；Fr愈小，則消能效率愈低。因此進行消力池的設計時，首先要復核計算閘孔出流處的佛汝德數Fr，當4.5 (2)河道水位下降勢必造成水閘消力池起不到消能的作用或消能不充分，首先應積極控制或取締采砂，讓河道水位不再下降；其次還要采取工程措施，根據水位下降情況，加固或加強消能防沖設施。 (3)消能防沖設施的各自的功能、作用是不相同的，應以消能為主，充分消能才能保障整體設施的安全，消能與防沖彼此之間是“唇亡齒寒”的關系。 □ 參考文獻： [1]周玉香，翟召華，季新民，等.低Fr數消能規律研究[J].山東大學學報，2015,(4). [2]蘇聯蕓，張明文，王秀芬，等.低佛氏數水躍消能理論在水閘設計中的應用[J].黑龍江水利科技，1996,(4). [3]鐘碧中.影響水閘消力池設計因素分析[J].內蒙古水利，2012,(6). [4]花立峰.輔助消能工的水力特性及在閘下低佛氏數水躍消能中的應用[J].水利水電工程設計，2009，28(1).
