基于水流流態分析的水閘底流消能防沖設計

孔慶陽，喬婧，丁偉，趙明

（1.連云港市水利規劃設計院有限公司，江蘇 連云港 222006；2.東海縣引淮入石芝麻電力翻水站，江蘇 連云港 222300）

1 引言

傳統水閘底流消能防沖方法常常會造成消能不充分的問題，同時在水躍后端常常會出現紊動能、下行波動大的問題，會進一步加大對防沖槽的沖擊，造成安設的防沖設施出現嚴重的破壞現象[1-2]。因此，國內外研究學者紛紛對消能裝置展開研究，國外學者闡述了能量概念在結構消能裝置設計中的重要性，并基于損傷控制的概念，提出了一種將多自由度體系轉化為非彈性范圍內的等效單自由度模型的顯式方法，以便在有無附加裝置的情況下，方便地進行結構抗震性能的評估。國內學者針對北溪閘下游消能防沖設施存在的主要問題，運用理論分析和模型分析其原因實驗。通過方案比較，這些措施都是為解決工程存在的幾十年安全隱患而采取的，其中主要包括：消力池水躍消能、延伸加筋護坦及防沖槽除險加固。也有學者針對平原地區水閘消能防沖運行的特點，在理論分析的基礎上，推導出消力池最大水深的計算公式液壓系統。根據模型試驗數據以及消能防沖所需的水流條件，繪制了泄水閘運行控制曲線，并根據該曲線繪制了水閘運行控制曲線。上述方法在一定程度上減少了防沖設施被損壞的情況，但是為了保證建筑物及樞紐正常運行，要求做到消能工本身不受空蝕（物體受到氣體空泡流沖擊后表面出現的變形和材料剝蝕現象）、磨蝕等損傷，下游岸坡穩定，河床不出現危害性沖刷。對此，本文在充分考慮水躍原理的基礎上，將開展基于水流流態分析的水閘底流消能防沖設計研究，設計水閘底流消力池，通過增設消力池和在海漫的末端位置設置防沖槽結構，實現對水閘底流的消能防沖作用，最終通過對比實驗驗證設計方法的有效性，實驗結果表明本文方法底流的消能更加充分，降低了底流流速。

2 基于水流流態分析的水閘底流消能防沖設計

2.1 基于水流流態分析的水閘底流消力池設計

為實現對水閘底流消能防沖，本文結合水流流態分析方法對水閘底流消力池進行設計。消力池的結構可根據不同水閘類型進行調整，一般情況下消力池分為消力坎式和綜合式兩種結構[3-4]。增設水閘底流消力池的目的是將泄水過程中水流產生的能量消耗，進而形成水躍，將原本存在的水躍條件淹沒。通常情況下，水閘的內側水位要比外側水位更低，因此在對消力池設計時，本文采用將水閘底流水深與水流流態關系作為基本計算依據。按照水閘閘孔開孔的數量以及開啟的高度不同，對消力池進行分檔開啟設置，通過水閘閘孔的具體位置，對水流流態進行計算，并根據公式得出水閘不同開啟孔數與開啟度所需要的消力池深度，公式如下：

公式（1）中，L表示為閘孔位置的水流流態；K表示為分檔高度；δ表示為孔流淹沒系數；μ表示為孔流流量系數；m表示為孔口高度；g表示為水躍淹沒系數；M表示為水閘整體高度。根據公式（1）得出的閘孔位置的水流流態，對消力池的各尺寸進行計算。首先對消力池的總勢能進行計算：

公式（2）中，T表示為由消力池底部到頂板的總勢能；h1表示為消力池在水躍前的水深；φ表示為消力池的流速系數，通常情況下φ取值為0.86。再對消力池在水躍后的水深進行計算：

公式（3）中，h2表示為消力池在水躍后的水深；α表示為水流動能校正系數；c1表示為消力池最末端的寬度大小；c2表示為消力池最前端的寬度大小。再對消力池出池水位落差進行計算：

公式（4）中，ΔE表示為消力池出池水位的落差大小。再對消力池池深進行計算：

公式（5）中，d表示為消力池的池深。根據上述公式得出在達到預計消能防沖效果下，消力池各個尺寸大小。本文采用消力坎式消力池，在護坦結構上設置消力坎，設計結構如圖1所示，完成對水閘底流消力池設計。

圖1 水閘底流消力池設計

2.2 水閘底流海漫與防沖槽搭建

針對消力池消能后底流中剩余的能量，本文采用海漫與防沖槽搭建的方法將剩余能量盡可能的消除，并調整在消力池中水流的流速分布，從而恢復原本水流的狀態，降低底流對河床造成的不利影響。首先從海漫的功能需求角度出發，海漫的結構應當具備一定的柔韌性，并保證較高的表面粗糙程度[5-7]。其次對海漫的長度進行設計，綜合水閘整體涉及的各項因素。通常情況下，海漫外側的水位相對較高，因此還需要增設防滲裝置，在海漫外側利用鋼筋混凝土材料對其進行防滲加固處理，在實際施工過程中保證鋼筋混凝土結構的厚度不低于0.45 m。

為了進一步實現對水閘底流消能防沖處理，還需要在海漫的末端位置設置防沖槽結構，如圖2所示。

圖2 海漫的末端位置設置防沖槽結構

防沖槽的作用與海漫相同，主要用于保證河床以及水閘閘室的安全[8-10]。防沖槽的尺寸大小應當按照水閘底流可能產生的沖刷深度設置，防沖槽的下游坡率選取比例為2∶1。在防沖槽中放置石塊，保證其體積比水閘底流沖刷后護坡石塊的方量更大。

根據實際情況的不同需要，還可以設置與防沖槽類似的防沖結構，例如尾坎、消力墩等。在防沖槽實際應用中，下游的消能防沖設施會進行不斷地改建以適應下游水位的變化，因此應當選擇大型防沖槽，壅高下游水位，從而抵抗下游水位在大幅度降低的過程中造成對水閘、河岸的沖刷[10-12]。

為進一步實現對水閘底流的消能防沖作用，還應當在控制底流沖刷的過程中，控制下游水位的下降。通過護岸、護底的方式，抑制水閘底流沖刷的發展，并通過縮窄河寬、減小水流的方式，在保證流量一定的情況下，增加下游過流水深。

3 實驗論證分析

選取某地區水閘作為實驗對象，該水閘類型為中型擋潮排澇水閘，由于該水閘使用時間較長，因此需要進行重建。

水閘現有結構采用9孔×4.5 m的布置尺寸，其總寬度達36.24 m，水閘底檻高程為-1.35 m，水閘頂高程為6.25 m，上游連接段與下步河相互連接，下游出口處與外海相互連接。

分別利用本文提出的基于水流流態分析的水閘底流消能防沖方法與傳統水閘底流消能防沖方法，為該水閘在泄水過程中的消能防沖進行設計，并通過改變水閘的開度大小，對水閘底流流速值進行檢測，將檢測結果與水閘末端水流流速進行比較，若流速更接近則說明消能防沖效果更好。分別設置水閘開度為0.25 e/m、0.40 e/m、0.74 e/m、1.34 e/m和1.58 e/m，5種水閘開度，分別利用本文方法設計的消能防沖方法與水庫表孔低水頭大單寬流量消能方式完成對比實驗，并比較兩種方法的消能防沖效果，如表1所示。

表1 兩種方法消能防沖效果對比表

為方便對比兩種方法消能防沖效果，將表1中的數據用圖3進行表述。

圖3 消能防沖效果對比結果

綜合表1中的數據和圖3可知，將本文方法與水庫表孔低水頭大單寬流量消能方式分別與水閘末端水流流速值進行比較，由于本文在進行一、二級消力時形成了強迫水躍，使得對底流的消能更加充分，降低了底流流速，保證水流與水閘底流銜接更加平順，達到了削減水能、平緩水流的目的，因此本文方法的底流流速值在1.4 m/s以下，與水閘末端水流流速值更接近，而水庫表孔低水頭大單寬流量消能方式的底流流速值隨著水閘開度的增加而變大，最高可達3.39 m/s，因此通過對比可知本文方法有效降低了水閘底流與末端水流之間的勢能差。

為進一步驗證兩種方法底流消能防沖設計在實際應用中對建筑設施的安全以及下游河床穩定性的作用，對比兩種方法在5次實驗中，每次消能防沖后水流對河床的沖擊程度，得到河床沖擊對比結果如圖4所示。

圖4 河床沖擊對比結果

由圖4可知，由于本文在底流消能防沖設計時，針對消力池消能后底流中剩余的能量，利用海漫與防沖槽搭建的方法將剩余能量盡可能的消除，并調整在消力池中水流的流速分布，降低底流對河床造成的不利影響，因此，本文方法對河流的沖擊影響程度在20 %以下，相較于水庫表孔低水頭大單寬流量消能方式較低。

通過實驗證明，本文提出的基于水流流態分析的水閘底流消能防沖方法具有更好的效果，可用于對水閘泄水過程中實現對河床的保護。

4 結論

在對水閘設計時，其底流消能防沖設計是尤為重要的，關系到整個建筑設施的安全以及下游河床的穩定。本文通過對消能防沖的基本原理進行探究，提出一種全新的基于水流流態分析的水閘底流消能防沖方法。在其實際施工過程中，還應當根據工程的主要目的、水閘運行方式、周圍地形結構等特點，結合消能防沖的各種形式加以分析，從而選擇最適合的消能防沖方案，經實驗證明，本文方法可以有效降低底流的勢能，為水閘底流消能防沖設計提供參考。