淺析水閘消能防沖的設計

胡素娥

（寧鄉市水利水電勘測設計院，湖南 長沙 410600）

水閘是一種具有調節水位和控制過閘流量的水利建筑物，可同時發揮攔水和泄水作用，因此在防汛、抗旱、輸水、發電等水利工程中占據極為重要的地位，但由于閘基前后水位高程不等，水閘上下游落差會將水體的勢能大量轉化為動能，導致過閘水流流速大大提高，從而對下游河床及兩岸產生嚴重的機械沖刷和側向侵蝕，特別是底部沖刷引起的溯源侵蝕，會使沖刷范圍從下游不斷后退到達閘室地基，進而造成水閘空懸甚至發生崩塌。因此，在水閘設計中加入有效的消能防沖措施，對于確保水利樞紐的工程安全是至關重要的。

水閘消能防沖有底流消能、挑流消能和面流消能三種方式，具體方式的選擇主要取決于過閘水流流量、上下游水位差、水利工程的運行狀態，以及工程的地質背景等因素。本文以湘江流域溈水河上一座重建的大（Ⅱ）型水閘為例，通過分析不同工況下過閘流量、上下游水位、閘門開啟度等因素，對水閘消能措施的選擇和工程設計工藝進行闡述，為其他類似水利設施的消能防沖設計提供有效借鑒。

1 工程概況

某大（Ⅱ）型水閘樞紐工程位于湘江長沙段一級支流溈水河的中游，由溢流壩、泄洪閘、沖砂閘、水輪泵、工作橋以及上下游連接段等建筑物構成，其主要功能為調水、防洪、發電，灌溉耕地面積1.2 萬畝，受益人口達1 萬多人。水閘區內總的地勢北東部低、西南部較高，屬低山之下環繞著崗巒起伏的湘中丘陵區，地面高程80～120 m，崗頂高程300～400 m，相對切割深20～60 m，地勢低緩，谷地較寬闊，屬Ⅰ級階地沖積堆積地貌單元。閘址控制流域集雨面積近1 200 km2，河道干流長度大于60 km，閘址上游坡降平均1.8‰。閘址區河床寬110～130 m，河床高程57.5～59.7 m，閘上游水深4～5 m、下游水深1～3 m，沿岸多發育Ⅰ～Ⅱ級階地。

圖1 為溈水河某大（Ⅱ）型水閘上游立視圖。

按中華人民共和國行業標準《水閘設計規范》（SL 265-2016）和《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2000）規定的標準，本工程為Ⅱ等工程，主要建筑物級別為二級，次要建筑物級別為三級，臨時性建筑物級別為四級；其安全評價確定的設計防洪標準為30 年一遇，校核防洪標準為50 年一遇。該水閘的軸線總長135.9 m，壩軸線方向從右至左依次布置（如圖1 所示）：右岸水輪泵站9.8 m；固定壩18.5 m，壩頂高程為62.65 m；平板提升門段閘室閘檻頂高程為59.5 m，閘前正常水位為62.5 m，設置了9 孔，閘孔凈寬10.0 m，閘孔中墩厚度為1.4 m，兩側邊墩厚度為1.2 m，閘室順水流方向長10.0 m，采用平底板型式，閘墩頂部高程為65.5 m；左岸水輪泵站4.6 m。水閘的過流能力（表1）：設計洪峰流量（P=3.33%）為1 595 m3/s，相應閘下水位63.86 m；校核洪峰流量（P=2%）為1 908 m3/s，相應閘下水位64.29 m。

圖1 溈水河某大（Ⅱ）型水閘上游立視圖

表1 水閘過流能力

2 消能措施

水閘消能常用的幾種技術措施各具特點，其中挑流式消能是借助水閘出口部分的挑流鼻坎，將出泄的高速水流向上拋射使其落入距離閘門位置較遠的河床尾水中進行消能，這種方案施工簡單、后期維護方便，在中、高水頭泄水工程中應用較廣，但對下游的減沖刷效果較弱；面流式消能是利用水閘外側的跌坎或戽斗，使排泄的急流與下游水體交匯后引發不同層位的水體旋滾以達到消能的目的，適用于中、低水頭泄水工程的消能防沖；底流式消能是通過修建消力池等工程來控制水躍位置，利用水躍引發的表面旋滾和強紊動來消除水流的能量，以減少或防止水躍范圍內發生的沖刷作用，在較平緩的平原地區使用比較普遍。

依據《水閘設計規范》（SL 265-2016），對本文選用的實例水閘進行消能防沖水力學計算（水閘下游水位與流量關系見表2），結果顯示該水閘屬于低堰低水頭閘壩工程，泄洪時水頭小、流量大。基于水動力學特征，結合實際運行情況，本水閘最終采用底流消能方式來減小泄水對河床的沖刷。

表2 溈水河某大（Ⅱ）型水閘下游水位與流量關系

3 設計工藝

3.1 消力池

底流消能的基本原理是使過閘水流在閘下產生一定淹沒度的水躍來消減水流動能，以達到保護水躍范圍內的河床免受水流沖刷侵蝕的目的，在過閘水流流量較大時，可在下游形成淹沒水躍；但當過閘水流流量較小時，閘體下游尾水深度要是不能滿足淹沒要求，就會在下游形成遠驅水躍，對河床產生嚴重的沖刷侵蝕，此時必須通過消力池對躍后流體進行消能（如圖2 所示）。

圖2 閘外消力池示意圖

水閘外是否需要額外配備消力池來實現底流消能，可根據《水閘設計規范》（SL 265-2016）附錄B 推薦，通過比較躍后水深hc″（m）與下游水深hs（m）的大小關系來進行判別，其中躍后水深hc″的計算方法如下：

式中 hc——收縮水深（m）；

Frc——躍前斷面水流的佛勞德數；

b1和b2——分別表示消力池首端和末端的寬度（m）；

T0——由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；

α——水流動能校正系數，一般取值1.0；

q——過閘單寬流量[m3/（s·m）]；

g——重力加速度，可采用9.81 m/s2；

φ——流速系數，取值0.95。

根據以上公式的計算，若hc″≤hs，即躍后水深小于下游水深，就意味著閘后不需要再建消力池；要是hc″＞hs，則表示躍后水深不能被閘后尾水淹沒，必須借助消力池來實現消能。

消力池的復核計算包括消力池深度、消力池長度及消力池底板厚度的計算（如圖2 所示）。

3.1.1 消力池深度消力池深度計算可依據式（4）和式（5）：

式中 d——消力池深度（m）；

σ0——水躍淹沒系數；

ΔZ——出池落差（m）；

hs——出池河床水深（m）。

這里需要指出的是，由于底流消能過程是通過在閘下產生一定淹沒度的水躍來消減水流動能的過程，當淹沒度過小時，水躍會不穩定，引起表面旋滾前后擺動，而當淹沒度過大時，較高流速水流又會潛入底層，由于表面旋滾的剪切，摻混作用減弱，使得消能效果反而會減少。根據《水閘設計規范》，水閘閘下消能防沖的洪水標準應與該水閘的洪水標準一致，并應充分考慮泄放小于消能防沖設計標準的流量時可能出現的不利情況，可在過閘最小流量到最大流量范圍內設定一系列流量Q，求出一系列相應的臨界水躍躍后水深hc″及hc″-t（t為下游水深），相應于（hc″-t）為最大時的流量即為消能工設計流量。因此，本案例中淹沒系數設定值為1.1。

3.1.2 消力池長度

消力池長度按式（6）和式（7）計算：

式中 Lsj——消力池長度（m）；

Ls——消力池斜坡段水平投影長度（m）；

β——水躍長度校正系數，采用0.75；

Lj——水躍長度（m）。

3.1.3 消力池底板厚度

消力池內水流流態非常紊亂，底部流速高，壓力脈動和流速脈動大，需要有相當堅固的結構保護河底，消力池底板（護坦板）可以保護河床不受沖刷。護坦板需要做成等厚、孔下鋪設反濾層，并且要求工作時在水流沖擊作用下不會被掀起和位移，還要在揚壓力和脈動壓力的合成作用下不會浮起。因此消力池底板厚度可依據式（8）和式（9）進行計算：

式中 t——消力池底板始端厚度（m）；

k1——消力池底板計算系數，可采用0.175～0.20，在本案例中取值0.18；

q——確定池深時的過閘單寬流量[m3/（s·m）]；

△H——相應單寬流量的上下游水位差（m）；

k2——消力池底板安全系數，可采用1.1～1.3；

U——底板底面受到的揚壓力（kPa）；

γ——水重力密度（kN/m3）；

hd——池內水深（m）；

Pm——底板上的脈動壓力（kPa），其值可取躍前收縮斷面流速水頭值的5%，底板前半部分脈動壓力計算取“+”號，后半部分脈動壓力計算取“-”號；

γb——池底板的飽和容重（kN/m3）。

上述公式中，式（8）是按照抗沖要求計算的底板始端厚度，式（9）為按照抗浮要求計算的底板始端厚度，最終選取二者之中較大的值作為t 值；而底板的末端厚度，可采用t/2，但是不宜小于0.5 m。

以上計算結果顯示，該案例水閘的泄洪水頭不高，對應的閘下躍前弗勞德數Fr 低，采用底流方式消能就必須借助消力池實現躍后水流消能；消力池的結構尺寸確定為：池長30.0 m，其中斜坡段長10.0 m，水平段長20.0 m，池深1.0 m，底板的始端厚度與末端厚度均為0.9 m（見圖3）。

圖3 消力池設計圖

3.2 海 漫

由于出消力池后水流仍不穩定，依然會對下游河床產生較大的影響，因此，一般會在消力池下游加設海漫，通過海漫進一步消除水流的剩余能量，調整流速分布，使之與天然河道的穩定水流流態接近，以保護河床免受沖刷。

海漫復核計算包括海漫長度和海漫末端河床沖刷深度兩個方面。

3.2.1 海漫長度Lp

海漫長度可根據式（10）進行計算，

式中 qs——消力池末端單寬流量[m3/（s·m）]；

△H——上下游水位差（m）；

Ks——海漫長度計算系數，取值由河床的土質決定，粉砂質河床的值最大，為14，堅硬粘土河床的取值最小，為7。

根據計算結果，該水閘的下游護坦和海漫的總長度確定為45 m。

3.2.2 末端沖刷深度dm

海漫末端河床的沖刷深度可根據式（11）進行計算，

s——河床土粒密度，可采用2.65；

g——重力加速度，采用9.81（m/s2）；

d——土粒抗沖等效粒徑（m）；

hm——海漫末端河床水深（m）。

參照已建水閘工程的實踐經驗，下游防沖槽深度一般為1.5～2.5 m，防沖槽內的拋石數量可根據下游河床沖至最深時，塊石可能垮塌的情況而定，此次設計取dm值為2.2 m。

4 結果復核

本工程采用消力池底流消能。水閘正常擋水工況，上游水位為62.65 m，相應下游水位58.0 m，開啟第一孔閘門時為閘下消能設計的控制工況。根據水力調洪計算，在閘門打開孔數逐步增大時，下游水深逐漸增大，上、下游水位差逐漸減小，在設計、校核洪水工況下閘上、下游水位差僅為0.29 m、0.28 m，此時下游水深為64.29 m、63.86 m，但泄流量較大，因此設計、校核洪水工況不能作為閘下消能的控制工況。

按本實例水閘的閘上水位62.65 m、閘下起始水位58.0 m 這一水位組合開閘泄水，由于該工程泄洪孔數較多，在計算過程中考慮水流在消力池中的擴散因素，具體消能計算結果見表3。計算結果表明：各種工況下消能防沖設施的結構尺寸與閘門的開啟方式關系密切，應盡量先開啟一孔的第一級，然后再開啟其余一孔的第一級，以使消能更充分。

表3 泄洪閘消力池消能防沖計算結果

5 結 語

水閘消能歷來是水利工程中備受關注的重要課題之一，由于過閘水流受上下游落差作用，大部分勢能會轉化為動能，使其流速急劇增加并在下游產生劇烈紊亂的現象，若無適當的消能措施，其強大的沖刷能力將會對下游河床及堤岸產生侵蝕破壞，存在嚴重的安全隱患。因此，在設計水閘時應根據水力學理論，分析過閘水流的動力學特性，選擇合適的消能方式并準確計算對應設施的結構尺寸，保證水閘運行的工程安全。