湖南省山區(qū)河道水閘消能防沖安全評(píng)價(jià)初探

蔣買勇

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長(zhǎng)沙市 410131）

山區(qū)河道的主要功能是行洪和灌溉。山區(qū)河道具有源短流急、水位暴漲暴落、洪峰流量大、歷時(shí)短、流速大、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。山區(qū)河道水閘主要任務(wù)是調(diào)節(jié)水位、控制流量和汛期排泄洪水。山區(qū)河道水閘的基礎(chǔ)大多位于深厚覆蓋層上，而山區(qū)河道單寬流量大、水頭低、弗勞德數(shù)低，閘下消能率低，大量能量被水流攜帶到下游后，由于下游河床本身的抗沖能力差，因此消能防沖往往成為影響水閘結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵問(wèn)題[2]。

湖南省的水閘大多位于山區(qū)，且大多建成于20世紀(jì)70～80年代，已運(yùn)行30～40年，根據(jù)SL 214-98《水閘安全鑒定規(guī)定》要求，水閘投入運(yùn)用后每隔15～20年，應(yīng)進(jìn)行一次全面安全鑒定，因此絕大多數(shù)水閘需要展開(kāi)全面安全鑒定[3]，由于山區(qū)河道水閘的工作特點(diǎn)，山區(qū)河道水閘全面安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于消能防沖的安全評(píng)價(jià)。本文以工程實(shí)例說(shuō)明山區(qū)河道水閘消能防沖安全評(píng)價(jià)及其加固建議。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

邵陽(yáng)縣渣灘水閘屬于山區(qū)水閘，洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，消能防沖工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。該水閘工程的建設(shè)，雖按基建程序辦理，但由于左的指導(dǎo)思想干擾，存在“邊設(shè)計(jì)、邊施工、邊投產(chǎn)”的三邊工程現(xiàn)象。

該工程攔河閘位于河床中部，設(shè)15孔溢流閘壩，實(shí)用堰型，最大堰高6.7 m，平均堰高5 m，堰頂為寬10 m，高7.3 m的弧形鋼質(zhì)閘門控制7 m水位，堰頂高程225 m（黃海標(biāo)高），設(shè)計(jì)正常控制水位為232.0 m，下游正常枯水位為220.0 m。

原設(shè)計(jì) 1#、2#、6#～15#水閘下游設(shè)挑流鼻坎，鼻坎高程222.50 m，小流量下為挑流消能，大流量為面流消能，鼻坎挑射角 10°，挑流半徑 R=6 m，10#～15#水閘下游護(hù)坦長(zhǎng) 60 m，寬 32 m，墻高 3.5 m；3#、4#、5#水閘采用底流消能，下游設(shè)消力池，池長(zhǎng)34 m，池寬32 m，池深2.5 m，消力池底部為埋石混凝土，上部為C20混凝土。

該水閘經(jīng)過(guò)30余年的運(yùn)行，過(guò)閘水流對(duì)下游消能設(shè)施造成嚴(yán)重沖刷破壞：消力池完全沖毀；護(hù)坦基礎(chǔ)沖爛，鋼筋裸露；壩前沖刷形成深水潭；下游左右岸護(hù)坡沖垮。

1.2 運(yùn)行方式和流態(tài)分析

該水閘正常水位運(yùn)行時(shí)，先開(kāi)啟4#閘門，再開(kāi)啟3#、5#閘門，當(dāng)再開(kāi)1個(gè)閘門，即共開(kāi)啟4扇閘門時(shí)，由堰流流量計(jì)算式計(jì)算下泄流量相應(yīng)的下游水位為225.26 m，超過(guò)堰頂0.26 m，超過(guò)鼻坎2.76 m。可見(jiàn)，1#、2#、6#～15#水閘已無(wú)法產(chǎn)生挑流，為面流消能。面流流態(tài)比較復(fù)雜，在一定跌坎型式，它隨下游尾水條件而變化；在一定流量和跌坎尺寸條件下，隨下游水深的不同，其流態(tài)變化及界限水深也不同。面流只在某一水深范圍內(nèi)發(fā)生，大多為回復(fù)底流，底部流速較大，造成其下游護(hù)坦沖刷嚴(yán)重。

根據(jù)以上分析，本次計(jì)算將對(duì)采用底流消能的3#、4#、5#水閘下游消力池和采用面流消能的 1#、2#、6#～15#水閘進(jìn)行消能防沖復(fù)核。

1.3 復(fù)核計(jì)算

1.3.1 底流消能防沖復(fù)核計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2001）中的消能防沖公式計(jì)算躍前水深、躍后水深，并判別水躍方式，計(jì)算消力池長(zhǎng)度、深度。復(fù)核原則為：如現(xiàn)狀消能工尺寸不滿足消能要求，則底流消能的消能工不滿足安全要求。驗(yàn)算消力池長(zhǎng)度、深度結(jié)果分別詳見(jiàn)表1、表2。

表1 消力池長(zhǎng)度計(jì)算成果表

表2 消力池深度計(jì)算成果表

1.3.2 面流消能防沖復(fù)核計(jì)算

面流流態(tài)水深界限值的計(jì)算采用《水力計(jì)算手冊(cè)》（第二版）介紹的經(jīng)驗(yàn)公式。復(fù)核原則為：若下游水深ht小于計(jì)算的第一臨界水深上限值 為底流流態(tài)；若下游水深ht大于計(jì)算的第五臨界水深上限值為回復(fù)底流。以上兩種情況均為底部流速較大的非面流流態(tài)，則面流消能的消能工不滿足安全要求。驗(yàn)算水閘下游界限水深的計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 水閘下游界限水深計(jì)算成果表

1.4 結(jié) 論

由表1可見(jiàn)，在計(jì)算工況1～4下，計(jì)算消力池長(zhǎng)度均大于原設(shè)計(jì)的34m，因此原設(shè)計(jì)采用底流消能的3#、4#、5#水閘下游消力池不能滿足消能防沖要求，且目前消力池已被完全沖毀；由表3可見(jiàn)，1#、2#、6#～15#水閘下游，除計(jì)算工況1下為面流流態(tài)，其余工況2～4下為底部流速大的回復(fù)底流流態(tài)，且所設(shè)下游護(hù)坦偏短、被沖毀。因此，整個(gè)水閘的消能防沖不滿足安全要求。目前，該水閘采用連續(xù)鼻坎下設(shè)護(hù)坦和消力池底流消能，經(jīng)過(guò)30多年的運(yùn)行，消力池?fù)跛畨ν耆珱_毀，護(hù)坦和消力池基礎(chǔ)沖爛，鋼筋裸露，并形成面積和深度較大的沖坑，下游兩岸護(hù)坡完全沖垮。

2 消能防沖加固建議

湖南省山區(qū)河道水閘大多建于20世紀(jì)70～80年代，已運(yùn)行 30～40年，由于種種原因，山區(qū)河道水閘現(xiàn)有消能工不能滿足，其加固建議主要有：

（1）改造泄洪閘溢流壩結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)消能設(shè)施型式，真正起到消能作用。

（2）按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)消能設(shè)施尺寸，使其消能工滿足安全要求。

（3）采用纖維混凝土[4]面層重建閘底板及消力池底板，以減少施工期溫度裂縫和運(yùn)行后的磨損程度。

（4）拋石防沖槽等薄弱部位應(yīng)用石籠網(wǎng)[5]和拋石混凝土[6]等新材料，以提高結(jié)構(gòu)抗沖能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合邵陽(yáng)縣渣灘水閘消能防沖安全評(píng)價(jià)，簡(jiǎn)要介紹了山區(qū)河道水閘消能防沖安全評(píng)價(jià)的基本內(nèi)容和方法，依據(jù)消能設(shè)施現(xiàn)狀和運(yùn)行方式，通過(guò)不同工況條件下的消能防沖計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出安全評(píng)價(jià)結(jié)論，并提出初步加固建議。根據(jù)水利部的要求，當(dāng)前，正在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行水閘的安全鑒定和設(shè)計(jì)工作。湖南的水閘大多位于山區(qū)河道，消能防沖安全評(píng)價(jià)是其安全鑒定的重要內(nèi)容之一，為保證水閘安全鑒定和設(shè)計(jì)工作的順利進(jìn)行，應(yīng)重視消能防沖的計(jì)算。本文介紹的山區(qū)河道水閘消能防沖安全評(píng)價(jià)方法可供同行在進(jìn)行相關(guān)工作時(shí)參考。

1 賴勇,施林祥,鄭旭明.山區(qū)河道生態(tài)防洪堤關(guān)鍵問(wèn)題及對(duì)策[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2011(9)：142-144．

2 賴勇,黃榮衛(wèi),張永進(jìn).浙江省山區(qū)水利樞紐工程水閘消能防沖新技術(shù)[J].水利水電科技進(jìn)展,2012（5）:78-80.

3 水利部水利建設(shè)與管理總站.水閘安全鑒定技術(shù)指南[M].鄭州：黃河水利出版社，2009，2:5-10.

4 朱冠美，楊松玲.三峽工程聚丙烯纖維混凝土的試驗(yàn)研究[J].人民長(zhǎng)江，2002，33(10):39-41．

5 陳忠蘭，古寶和.生態(tài)格網(wǎng)在河道整治工程中的應(yīng)用[J].上海水務(wù),2007(2):28-30．

6 王學(xué)森.拋石混凝土的性能改進(jìn)[J].混凝土,2003(3):63-64.