基于低佛汝德數分析法的水閘底流消能防沖措施分析

谷 明

（惠州市華禹水利水電工程勘測設計有限公司，廣東 惠州 516003）

當前水閘的底流消能防沖設施主要包含消力池、海漫以及防沖槽等幾種類型，倘若因水位下降導致消力池無法達到消能充分的效果，將極有可能使水流出池流速增大而沖擊位于護坦后方位置的海漫與防沖槽，因此務必要著重加強對于消能防沖技術的把控，提高消能防沖設施的穩定性，從而保障護坦與閘室的安全。

1 基于低佛汝德數分析水閘底流消能對水流流態的影響

1.1 低佛汝德數與底流消能的作用機制

佛汝德數主要用以表示流體慣性力與重力之間的比值，與慣性力之間成正比、與重力作用之間成反比，其計算公式為：

其中當Fr≤4.5 時，水流即產生低佛汝德數水躍現象，水閘底流消能不充分；當4.5＜Fr≤9 時，即發生充分水躍，水閘底流消能充分；當Fr＞9 時即產生強水躍，此時水流處于不穩定狀態，產生較大的波浪。而在水躍段中水流速度較快，水流相互摩擦釋放出較大的能量，將會對河床、周邊建筑物等產生較大的沖刷力，因此務必要強化對消能措施的設計，真正確保水躍現象在消力池中充分發生，使水流摩擦所產生的大部分能量在水躍段得到充分釋放，余下能量也會被防沖設施、護坦繼續耗散，從而良好地規避對河床、河岸造成過度沖刷[1]。

1.2 水閘底流消能充分的表現

以消力池作為觀察對象，當發生在消力池中的水躍現象較為強烈，水流在池內呈現出倒流、橫流、摩擦等現象，且回流明顯、旋轉區域不穩定時，既可以判斷出水閘消能較為充分。同時還可以借助水工模型消能防沖試驗進行測試，在消力池內撒入一定量的漂浮物，倘若觀察到漂浮物在池內不停旋轉、即將流出消力池時又被水躍帶回等現象時，既可以證明其消能較為充分。

1.3 水閘底流消能不充分的影響

基于低佛汝德數判斷水躍呈現出波浪特征，垂線位置處水流不穩定、底部流速明顯較大，即可判斷水流所產生的沖刷作用較強；當觀察水躍段發現其水流漩滾幅度較弱、形成顫動水躍時，即可判斷消力池所產生的消能作用較弱，未能實現能量的充分耗散；當觀察躍首段發現水流在底部與水面處呈現出上下流動狀態，且整體水躍位置擺動形成行進波時，也可判斷消能效果不佳；當觀察水躍后端發現存在紊動能、下游波動較大，對于海漫、防沖槽造成了較大的沖擊時，即可判斷其能量較大，會對下游的防沖設施造成嚴重影響。

2 案例分析

2.1 工程概況

該水閘位于我國南部某省，主要建筑物級別為三級，共設有28 孔，總凈寬與擋水寬度分別為336 m 和412 m。工程建設的目標是消除水閘隱患、保障行洪安全。水閘樞紐下游為感潮河段，閘基底板處自上而下分別為中粗砂、淤泥質砂、軟粘土、雜卵石等復雜地層結構[2]。

針對該水閘進行水工斷面模型試驗，水閘左右兩岸各設有兩孔，單孔凈寬為12 m，閘底板堰頂高程為2.9 m，一級消力池底高程為0.8 m、深度為2 m，二級消力池底高程為-2.2 m、深1.5 m，閘底末端與一級消力池的坡度比為1∶4.5。設水閘上游蓄水位保持在6.3 m 的正常數值，閘門開度e=0.25 m、0.5 m、1.0 m、1.75 m，其消力池泄流量與流速值見表1。其中一級消力池內形成不完整水躍，二級消力池中水墊厚度未達標準，消能不充分。

表1 消力池泄流量與流速值

2.2 輔助消能工措施

2.2.1 設置消能尾坎

基于低佛汝德數理念，當發現水躍呈現出底部流速過大的特點時，即可在水躍區進行連續尾坎的布設，利用其反擊功能降低共軛水深。需要注意的是，應當針對坎高與位置進行著重設計，倘若坎高設計得過低將無法起到降低共軛水深的作用，而設計得過高甚至還會引發二次水躍現象，因此需利用公式選取合理的坎高參數：

同時需針對尾坎與跛腳之間的距離進行詳細設計，其距離越近所產生的反擊效果越強，有助于更好地發揮降低共軛水深的作用，但距離過近也極易形成二次水躍，破壞水流流態的平穩狀態，不利于控制水躍。其距離公式為：

2.2.2 設置消力前墩

消力前墩具有較強的反擊作用，將其設置在消力池前段可以有效抑制底部流速過快的問題，降低共軛水深。其中差動式消力前墩可以更好地消除水流能量沖擊，在此需針對前墩與坡腳間的距離進行控制，其公式為：

在完成消能尾坎與消力前墩的設置后，共軛水深可以得到顯著降低，消力池的效率明顯提高，發揮了較好的消能防護作用。但還需注意以上兩種設施主要為消能防沖提供輔助作用，在使用前還需確保針對消力池進行完善設計。

2.3 采用不護底消力池技術

根據該工程所處的地質條件、水文狀況，擬采用下挖式消力池進行消能設施的重新設計，借助1∶4 斜坡面將消力池與閘底板相連，排水試驗確定消力池的尺寸大小。通過選取三組典型工況進行水力計算的數值模擬，分別選取中間閘門、左右閘門、三個閘門同時開啟等三種閘門開啟方式，其流量分別為7.25 m3/s、4.23 m3/s、1.19 m3/s，上下游水位分別設為 2 3.4 m 和19.8 m。擬采用靜水壓力進行三種工況下的壓力條件設計，通過計算三者的主流方向水深可以發現，當下泄水流與尾坎碰撞后，即會在消力池內部發生充分水躍，在靠近尾坎位置產生回流、流向下游，而三種工況下水躍與消力池之間的距離分別為6.4 m、4.4 m 和0.7 m，第一種工況下水面線雍高達到了最大值2.3 m，第三種工況下達到了最小值1.4 m。同時，海漫段水流流態穩定，向下游產生的波動較小，由此可證實采用不護底消力池技術設計后的消力池具有較高的消能率，消能效果明顯[3]。

2.4 加固消能防沖設施

依據《水閘設計規范》與水工模型試驗進行消能防沖設計，試驗結果表明當上游處于正常水位、下游為最低水位、閘門開啟高度為0.2 m 時，躍后水深與下游水深之間的差值最大；同時當閘門開啟高度由2 m 轉變為2.5 m 時，躍后水深與躍前水深的差值最大。針對此種現象采取一定的防護措施。

（1）可以將原有消力池拆除，采用一級池設計方案與混凝土結構重建消力池，在結構、孔數等方面保持原有規格參數，將消力池先啟孔與后啟孔處的長度分別設置為36 m、31 m，將兩部分水平段的頂高程分別降至-4 m 和-3.5 m，利用1∶4 斜坡段將其與閘底板相連，并在先、后啟孔消力池中間設置頂高程為-1 m 的隔墻，以此消除回流影響。

（2）可以采用二級消力池型式進行設計，將第一級、第二級消力池的長度分別設為23 m 和22.5 m, 底部頂高程分別為-3.5 m 和-4.5 m，采用1∶4 斜坡進行銜接，同樣也在先、后啟孔消力池中間設置頂高程為-1 m 的隔墻，削弱回流影響。

這兩種方案設計均可以確保在消力池內部發生水躍現象，發揮良好的消能作用。此外還可以在消力池中加設消力檻，對水流流態進行調節，進一步提高消能率。

3 結論

消能設施與防沖設施之間處于互相依存、互為支撐的關系，運用消能防沖技術能夠使水流動能與波狀水躍得到有效消除，避免剩余能量沖刷閘室、河床與河岸。同時，還應當著重加強河道管理工作，針對采砂作業予以嚴格管控，依據水位下降情況選取有效的措施加固消能防沖設施，更好地保障水閘安全。