水閘消能防沖優化設計

于軍濤

(開封市汴龍勘察設計中心，河南 開封475000)

1 工程背景

某水閘位于我國南部城市，其主要建筑物為三級，擋水寬度和總凈寬分別為450 m和335 m，水閘運行過程中主要擔負著泄洪蓄水、保證河道行洪安全的重要作用。水閘樞紐下游段主要為感潮河段，閘基底板處地質條件由上而下分別為中粗砂、淤泥質砂、粘土和雜卵礫石。水閘過流動能較大，為避免下游河道造成沖刷破壞，甚至影響水閘、消力池和護坦運行安全，必須在消能防沖設計的基礎上采取恰當措施。為進行水閘消能防沖設計，文章主要進行了水工斷面模型試驗分析，閘門開度分別按照0.25 m、0.50 m、0.75 m、1.00 m、1.25 m、1.50 m設計。

2 水閘消能防沖優化設計

2.1 消能方式的選擇

水閘消能防沖方式包括面流消能、挑流消能和底流消能等。面流消能主要借助設置在溢流堰末端的跌坎，將溢流堰頂下泄的水流導流至下游水流表面，并使其在跌坎周圍水流和河床間形成翻滾之勢以消耗部分能量，對于下游水深大、變幅小的情況較為適用；挑流消能主要通過挑流鼻坎將水流挑起并拋至空中，并利用空氣勢能及下游水墊達到消能的目的，且對下游地質條件有較高要求；底流消能即利用設置在泄流建筑物下游的消力池、消力坎等輔助性水工建筑物，使水流發生水躍后通過其內部摩擦、撞擊、摻氣等過程達到能量消耗的目的，且對于大流量、低水頭較為適用。該水閘因上游水頭低，下游水位隨潮位表現出明顯變化，且其河床主要為抗沖刷能力較低的砂基，所以采用底流消能措施。在消能方式確定的基礎上，必須根據水閘調度原則進行其消能防沖設計。

2.2 消能防沖優化設計

2.2.1 水閘消能防沖設計原則

結合水閘運行實際，上下游水位、泄洪方式及過閘流量等均復雜多變，所以，水閘下游消能防沖設計必須在充分考慮可能的水力條件下滿足水流均勻擴散和動能消散的目的。

首先，出閘水流因具有較大流速和強烈的紊動，必須進行下游消能處理。平原地區水閘通常水頭較低，且河道土質抗沖能力小，下游水位變化大，故通常采用底流消能設計；其次，下游所設置的消力池等消能水工設施必須在可能的工況下滿足水躍共軛水深方面的要求，并應充分重視過閘水流在下游所形成水躍對河道的沖刷，采取必要措施；最后，加強水閘閘門控制運用，若控制運用不當，則必將產生集中性水流、折沖水流等不良流態，引發水工建筑物沖刷破壞。

根據水閘上游正常蓄水位，當水閘內水位在正常蓄水位以下時，水閘閘門關閉擋水，并維持高水位；而當水閘內水位比正常蓄水位及閘外水位高時，應逐步開閘泄水，確保水閘安全；當水閘內水位低于閘外水位時，應關閉閘門擋潮。

2.2.2 分區消能設計

該水閘泄水分區及下游消力池設置存在以下兩種方案：

方案一：水閘泄水不分區，且按常規方式進行消能防沖計算。按照每檔0.25 m的高度進行閘門啟閉分檔，在上游來水的工況下隨著來水量的增大逐步開啟水閘，最后達到設計開度泄流。

方案二：水閘分三區泄水。8#～20#中間孔設置為Ⅱ區先啟孔，1#～7#和21#～28#兩側孔分別設置為Ⅰ區和Ⅲ區后啟孔。在上游來水工況下，閘門中間孔優先開啟，隨著來水量的增大，兩側邊孔開啟至0.25m的第一開度，若來水繼續增大，則應將兩側邊孔開度增大至1.50 m，并待泄流達到穩定狀態后將兩側邊孔開至1.00 m運行。如此循環處理，直至全部泄水孔在流量2 000 m3/s以下時均開啟至2.50 m運行。最后當流量增大至2 000 m3/s以上時，應將所有閘門全部開啟泄流。水閘閘門調度安排具體見表1。

表1 水閘閘門調度安排表

3 消能防沖計算

針對以上所提出的兩種閘門控制運用方式分別進行消能防沖計算。

3.1 泄流能力及上游壅高校核

水閘單孔凈寬14.00 m，閘檻高程-1.00 m，按照水閘設計規范進行攔河閘泄洪能力和水位壅高的計算，計算結果詳見表2，根據表中結果可以看出，該水閘在不同頻率洪峰流量宣泄的過程中，上游水位壅高均低于0.30 m，滿足規范相關規定，也表明攔河閘方案合理。

表2 攔河閘泄洪能力和水位壅高的計算結果表

3.2 閘下水流銜接及消能防沖

該水閘工程不同頻率洪水宣泄的過程中，水閘應處于閘門全開狀態，閘門上下游水位差均在0.30 m范圍內，且水流呈現出從緩流平順過渡至緩流的流態，無需進行消能處理。但在最不利工況下單寬流量和閘門上下游水位差均增大，并伴隨出現出閘水流能量最大的情況。所以泄流時必須針對具體工況進行消能防沖控制尺寸的確定。根據閘門下游河床高度進行消力池尾坎高程確定，以最不利工況下歷年水位最低值作為消能下游的初始水位，并以低一級閘門開度泄流后下游水位穩定值進行各級閘門開度消能計算。底板厚度、消力池尺寸、海漫長度等按照規范所規定公式進行計算，結果如下：

底板厚度、消力池尺寸、海漫長度等參數的控制并不屬于同一工況，必須針對不同工況進行消能防沖具體尺寸的確定。本文所提出的分區消能設計方案一全部泄水孔所對應的消力池最大深度為0.93 m，長度13.85 m，底板厚0.61 m，海漫長度最大值32.35 m。方案二中間Ⅱ區先啟孔消力池深度最大值為0.93 m、長度為13.05 m，底板厚0.60 m，海漫長32.35 m；兩側Ⅰ區和Ⅲ區后啟孔無須設置消力池，護坦段最大長度13.40 m，底板厚0.60 m，海漫長32.35 m。以水閘泄流過程中產生水躍的單寬流量最大值為消力池長度設計流量，當來水量增大至設計流量后應開啟后啟孔泄流，并適當減小消力池尺寸和海漫長度。

當下游水位處于較低工況時，應嚴格按照設計開度和啟閉次序控制閘門運行，以防止因泄流流態不穩而引發折沖水流，導致水閘建筑物沖刷受損。

4 消能防沖方案選擇

從開挖、混凝土及鋼筋工程量，消力池深、消力池底板厚、消力池水平段長及總投資等角度進行該水閘兩種消能防沖方案的比較，具體見表3。通過比較結果可以看出，方案二由于在閘孔不增設消力池而只設置護坦，所以擋墻工程量和地基開挖量少，所以在施工工期和投資等方面具有顯著優勢。而且其分區啟閉設計能在上下游水位差較大時及時開閘泄流，減少對河床兩岸的沖刷破壞。

表3 水閘消能防沖方案的比選表

雖然方案二閘門設計復雜，但是閘門控制運用得當，能有效避免集中水流及折沖水流等不良流態對水工建筑物的沖刷破壞，泄洪及消能防沖效果好，所以選擇方案二閘門控制方式。

5 結論

綜上所述，水閘消能防沖設計中必須充分考慮單寬流量、泄流方式及水位差等水力條件，并應通過水閘調度方式的選擇保持水閘分區設計和水閘調度的協調性。水閘消能防沖設計方面控制工況并非為流量較大的設計洪水或校核洪水，而應當根據水閘調度實際對多種工況進行復核計算，保證消能防沖設計的合理性。運行結果表明，該水閘泄水分區設置及閘門控制方式的選擇對于消除過閘水流具有的較大動能，保證出閘水流和下游河道流態順利銜接具有積極作用。