水利工程除險加固水閘消能防沖措施研究

陳衛東

(廣東華迪工程管理有限公司，廣東 廣州 510000)

1 工程概況

某河道所修建的水閘為多孔水閘，孔位數量為16個，寬度均為4 m，閘頂高度與閘室寬度分別為19.5 m和81.0 m，利用消力池對泄流進行消能處理。在水閘工程應用過程中，工程單位對其下游翼墻底部、下游齒坎、斜坡段以及消力池底板等多個部位進行了除險加固處理。然而，工程單位加固下游翼墻后，水閘泄流期間產生了主流集中、水流流速提升、河床沖刷情況愈發嚴重的問題，急需通過水力學模型對水流流態變化與下游翼墻加固之間的關聯性進行分析，探尋改善消能防沖設施功能效果的具體措施[1]。

2 研究方法

2.1 模型創建

本文基于重力相似準則進行模型創建工作，將幾何正態、阻力相似納入模型建設體系之中，按照1∶40的比例尺進行設計。其中，模型類型包括防沖槽以及分頂層下游局部動床模型，模型沙的選型依據參考現場防沖槽下游河床的泥沙顆粒級配勘測數據，確保模型中泥沙流速情況與現場情況相近，最終選取1.1 mm粒徑的黑點木粉作為模型沙材料。針對水流流速、流態監測工作要求，選擇設置四組測量斷面進行監測，布置情況詳見圖1，防沖槽末端與圖中D02斷面相對應。

圖1 閘下流速斷面布置

為滿足水位測量要求，選型應用±0.1 mm精度的測針進行測量，利用±2.5 cm/s精度的旋漿式傳感器檢測流速，檢測數據匯集于水工模擬測控系統中，便于工作人員對測量結果進行實時確認[2-3]。閘下河水沖刷形成的坑洞深度需利用水準測量法，按照±0.5 mm的精度標準進行測量，測量時間為緩慢停水之后。

2.2 試驗參數

為實現對水閘消能防沖情況的有效測試，模型試驗期間需要選擇水流流量、水位、水流結構等具有代表性的參數進行測試，結合現場情況設置了四種不同的工況，相關數據參數詳見表1。

表1 水力學模型試驗參數

3 基于水力學模型試驗的消能防沖措施分析

3.1 試驗結果分析

3.1.1 水流流速與流態特性分析

水力學模型試驗結果表明，在兩側翼墻加固體的作用下，消力池中的兩側閘孔泄流不會產生水躍，主流處于水體表面斜向通過消力池尾端，最終產生能夠擠壓出閘水流的回流區，詳見圖2，主流寬度在消力池尾端最終達到50 m左右，等同于10組閘孔的寬度。泄流河水從消力池涌出后，其主流主要分布于河道中部，流動期間產生不確定的左右擺動情況，而朝左側擺動的可能性相對更高，兩側均具有分布范圍較大的回流區。斷面檢測結果表明，水流流速呈不均勻分布的狀態，工況1時D02斷面的最大流速為3.75 m/s，工況2時的流速為3.07 m/s，工況3時的流速為1.21 m/s，工況4時的流速為1.62 m/s。

圖2 閘下水流流態及流速分布

3.1.2 水流沖刷特性分析

為驗證定床模型時水深、水流垂向流速等因素帶來的影響，按照表1所述工況1與工況4中水位、流量標準進行模擬試驗，測試河床沖刷的具體情況。模型試驗結果指出，工況1的水位較深、流量相對較高，導致通過消力池進入防沖槽處的水流流速依然呈現出較高的數值，導致水閘下游的河床承受較強的水流沖刷影響，不僅沖刷范圍大，而且防沖槽后方河床受水流沖刷形成的坑洞深度可達9.4 m，最深處高程達到了-3.4 m。工況4的水位淺且流量小，防沖槽后的水流不會對閘下河床產生強烈的沖刷作用，沖刷的范圍小且深度僅3.05 m左右，坑洞最深部位的高程僅2.93 m。

3.1.3 閘下河床沖刷情況分析

結合除險加固水閘布置示意圖可以確認，加固體布設范圍為閘室水平段末端后續的翼墻底部區域，其頂部高程等于閘底高程，頂寬等于2/3閘孔寬度，加固體高度呈漸變狀態，消力池末端高度為2.5 m，閘底末端為0 m，消力池后續部位高度始終維持在2.5 m狀態。在加固體的作用下，水閘泄流中2/3的水流被加固體阻隔，這部分水流開始朝著中部斜向流動，導致主流在消力池內集中，防沖槽以及下游河床所承受的水流沖刷作用因此加強，最終形成大范圍的河床沖刷坑洞問題。

3.2 消能防沖改進措施試驗對比與選擇

對于除險加固水閘加固體布設后引發的主流集中、回流、斜向流動、流速分布不均等情況，工程單位可以結合現場情況對消能防沖設施的結構尺寸進行優化，實現對兩側回流區的有效抑制，將下游河道水流流速控制得更加均勻，避免河床受到嚴重的沖刷作用，相關優化方案詳見圖3，主要包括調整消力池尾坎高度、增設消力池輔助設施、改變尾坎布置結構等方式調節泄流狀態和流速。

圖3 各比較方案體型

在工況2水位與過閘流量的標準下試驗不同方案的效果，通過對比各方案中水流流速均勻性和流態參數的方式選取適宜的消能防沖改進措施。結果表明，第1種至第3種方案無法有效改善消力池內水流的流態，但消力池下游的流態改善效果良好；第4種方案有效改善了水閘下游各部位的水流流態，實現了對斜流流態問題的有效抑制，有效規避了主流集中以及偏流問題，各斷面監測的流速分布狀態也較為均勻。

在方案選擇過程中，工程單位需要綜合考慮河岸與河床受沖刷程度、流速分布均勻性、水閘下游各部位水流流態以及施工結構難易程度等多方面的因素，對比上述試驗結果可以發現，第1種方案對于水閘下游消力池中的水流流態無法起到良好的調控效果，僅將下游水流流速的均勻性進行了一定程度的改善，實現了對斷面垂線平均流速以及回流流速的有效控制，但依然無法起到有效改善河岸、河床防沖效果的作用；第2種與第3種方案對于水閘下游消力池中的水流流態無法起到良好的調控效果，但是對斷面垂線流速降低以及水流流速均勻性等方面具有顯著的改善作用，能夠降低河床的受沖刷程度，只是流出消能防沖設施的水流在近岸區域依然保持較高的速度，導致岸腳受到嚴重的沖刷影響；第4種方案利用分隔墩應對加固體布設后引發的斜向水流，能夠有效改善斜流流態、回流區問題，使得消力池及其下游水流維持了較為良好的流態，不再產生主流集中、偏流等問題，降低了D02斷面垂線流速和近岸流速，也均化了斷面流速分布狀態，實現了對岸腳、河床等區域水流沖刷問題的有效緩解。此外，分隔墩結構相對簡單，能夠以更短的時間、成本實現對現有消能防沖設施的優化。

3.3 消能防沖措施試驗驗證

為了確保除險加固水閘消能防沖設施功能的有效發揮，本文針對第4種方案的適用情況進行了詳細的試驗驗證與分析，測試了不同水位、流量工況時的消能防沖效果。在消能防沖措施實施過程中，工程單位將分隔墩裝設于閘墩后方的斜坡以及水平段。在流速分布均勻性以及流態特性方面，分隔墩隔離了兩側閘孔與相鄰閘孔，在工況1、工況2、工況3、工況4不同水位和流量參數作用下，均為發生回流、主流集中、兩側水流斜向流動等問題；消力池下游未形成回流區域，水流流態溫度且擴散情況良好；各斷面流速分布的均勻性以及最大垂向流速數值也得到有效改善。在沖刷特性方面，基于工況1與工況4的參數對消能防沖措施的應用效果進行試驗。結果表明，閘下河道斷面流速以更均勻的狀態分布，主流集中問題得以消除，最終形成的河床沖刷范圍小且程度低，岸腳也未出現沖刷情況，工況1的沖刷深度由改進前的9.40 m降低至3.24 m，工況2的沖刷深度由改進前的3.05 m降低至2.73 m。

4 結 語

綜上所述，除險加固水閘工程中往往容易因處理措施不當對消能防沖效果造成負面影響，引發嚴重的河床、岸邊沖刷等問題。工程單位施工過程中，對翼墻、閘墩等區域的加固處理措施導致水閘下游的水流出現主流集中、回流、偏流、流速分布不均等問題，通過加裝分隔墩的方式能夠實現對水流流態、流速特性以及沖刷問題的有效調控，滿足水閘下游的消能防沖需求。