微彎河道水閘下游河床沖刷機理分析及預防措施研究

胡 欣

（上海市堤防（泵閘）設施管理處，上海 200080）

0 引言

在土質松軟地區河道上修建水閘，河道沖刷是必須重點研究解決的問題之一。《水閘設計規范》指出：“節制閘或泄洪閘閘址宜選擇在河道順直、河勢相對穩定的河段，經技術經濟比較后也可選擇在彎曲河段裁彎取直的新開河道上”。但受河道兩側土地利用等諸多現實條件限制，仍有不少閘址只能選在微彎河道上。如何采用合理的手段或措施，防止河道岸灘（特別是轉彎段）的河床刷深，確保水閘下游河道堤防的安全，這在城市干支流水閘建設及運行中是尤為重要的。筆者參加了上海市松江區某水閘工程下游堤防除險工程的評審，對微彎河道水閘下游河床沖刷問題進行研究并就此提出了水閘運行管理的預防措施，供設計單位參考。

1 沖刷機理

1.1 橫向環流

橫向環流是水流經過河道彎曲段所形成的特有現象。水流經過彎道時，為提供水流沿彎道曲線運動的向心力，凹岸水面抬高，凸岸水面降低，形成橫向比降，從而產生環流。

水體在水面橫比降下存在橫向壓力梯度FJ，方向指向凸岸側，沿水深均勻分布；慣性力Fc為水體沿曲線運動的離心力，方向指向凹岸側；同時，水柱在底部受到底摩擦阻力，方向與其運動方向相反。由于水體垂向流速自水面向河床逐漸減小，故其在做曲線運動時不同水層所在水體離心力大小亦不同。決定彎道水面橫向壓力梯度所用流速為垂線平均流速，多數情況下相當于中間稍偏下層水體的流速。忽略水柱的底摩擦阻力（T），對于底層水體而言，橫向壓力梯度大于水體離心力，即FJ＞Fc，使得該部分水體向凸岸方向移動；而對于上層水體而言，壓力梯度小于水體離心力，FJ＜Fc，在慣性作用下，水流偏向凹岸移動。由此，造成了底層水流向凸岸、表層水流向凹岸的橫向環流，它與縱向水流結合在一起構成了彎道中的螺旋流。

1.2 沖刷機理

螺旋流的存在引起水流的循環和泥沙的橫向搬運作用，它們對于彎曲河道的造床作用起著十分重要的作用[1-2]。

在橫向環流作用下，表層含沙量較小的水流不斷地流向凹岸并插入河底，而底層含沙量大的水流則不斷地流向凹岸并爬上邊灘，形成橫向輸沙不平衡。因此，對凹岸形成沖刷的水流，是由流速較大的表層水下潛而來，其挾沙能力也較強，該部分水流不含推移質泥沙，在下潛開始向彎道內側流動的過程中，對凹岸產生強大的清水沖刷，這種沖刷比順直河段有推移質運動的主槽沖刷要更為嚴重[4]。再加上下泄的縱向水流對凹岸的頂沖作用，凹岸岸坡面臨著極大的壓力，產生沖刷崩塌等險情概率極大。

因此，彎道水流對河岸的作用分為兩種：一是水流直接作用于河岸，沖動河岸上的泥沙顆粒并將它們帶走；二為水流沖刷坡腳、使岸坡的高度或角度增加，從而使上部的岸壁因重力作用而滑塌。

對于微彎河道水閘下游河道而言，彎道凹岸是沖刷集中的部位，而順直河段則相對沖刷較少。同時，水位的劇烈升降使河岸產生向河的滲透壓力，降低河岸的穩定性。

2 實例分析

2.1 概況

以上海市松江區某水閘工程為例，該水閘位于黃浦江上游干流左岸支流河口段，水閘上游引河河道順直，閘下排水河道在距泵閘約160 m處進入彎道，彎道角度約130°。水閘為泵閘合建型式，閘室與泵房分別位于工程東、西兩側，設計水閘排澇流量大于泵站排澇流量。

水閘外河左岸翼墻末端堤防建有防汛墻，在水閘長年排水出流作用下，其外河道凹岸段河床被刷深嚴重，墻前灘地，最終導致結構失穩，局部防汛墻倒塌。

2.2 沖刷計算

以閘室中心為起點，以50 m等間距在閘下游外河道選取特征斷面，取閘門排水流量分別為40 m3/s、50 m3/s、60 m3/s，對河道斷面平均流速及河道沖刷計算。結果見圖1所示。

圖1 不同排水流量下河道沿程流速及沖刷關系圖

從河道沿程流速及沖刷關系來看，河道沖刷深度與流速正相關。由于河道直線段長度有限，在摩擦水頭損失作用下流速有降低趨勢但不明顯，沖刷深度基本維持穩定；當水流進入轉彎段后，沖刷深度出現峰值，出彎后迅速降低。表明河床沖刷最劇烈段出現在轉彎段凹岸側，明顯大于順直河道段。

從不同流量下沖刷深度對比來看，當排水流量達到60 m3/s時，水閘下游河道流速較大，河床受到沖刷，最大沖刷深度超過了0.7 m；當排水流量為40 m3/s時，河道斷面平均流速相對較低，已經小于床沙起動流速，但由于行進水流的分配不均勻性，河床局部會存在輕微沖，可以認為該流量下水流流態為該河床不引起全面沖刷的臨界狀態。

2.3 沖刷原因

在低含沙量水流中，河道沖刷深度與水流行進速度息息相關，水流流速與床沙質起動流速的關系成為河道是否沖刷的關鍵因素。當行進流速大于河床起動流速時，河道將被沖刷。

從水流結構來看，出閘水流行進至彎道時，在彎道螺旋流的縱向頂沖和橫向淘刷雙重作用下，河道凹岸側受到沖刷成為必然。若水流流速較大，而護底措施不完善時，極易出現險情。

從總體布置來看，由于閘室布置在水閘東側，閘門開啟后水閘過流流量遠大于泵站設計流量，水流在凹岸處及凹岸處上游河段高流速主流區都分布于河道左側，水流在較長一段范圍內不能很好地擴散至整條河道，形成了偏流。故在水閘下游順直河段內東側河道明顯刷深嚴重。

從運行調度來看，在超標準泄洪或高水頭差時閘門一次開度過大等不當操作下，將直接導致河道縱向流速過大，出閘水流流速大于床沙的啟動流速，產生了河道沖刷。對水閘運行而言，應合理控制閘門開啟度，從而達到控制河道單寬流量、穩定水流流態的目的。

3 設計及運行管理措施

對微彎河道而言，合理的泵閘布置、可靠的消能防沖設計、科學的調度方案、規范的運行管理都對水閘下游河道防沖刷起到至關重要的作用。就此，對微彎河道上水閘的設計及運行管理提出以下建議：

（1）在水閘設計過程中，應充分考慮轉彎段的清水沖刷作用，對水閘設計流量及下游彎曲段凹岸側防汛墻結構設計及護底措施須謹慎對待。

（2）水閘建成運營后，應嚴格按照設計調度運行方案執行。若要對設計運用條件進行更改，應聯系設計單位對其合理性進行充分的論證。

（3）閘門啟閉是水閘控制的關鍵，需做到及時準確。應繪制閘下安全水位與閘門開度曲線，閘門啟閉須逐級進行，控制好過閘流量，防止遠驅水躍的發生。若閘門一次開度到位時，則極易產生集中水流和偏流。多孔水閘應分級均勻開啟，避免不對稱開啟情況。

（4）在水閘運行過程中，應同步進行流態觀測。觀測內容主要包括不良水流形態如回流、折流、水躍等，一旦發現不利水流時，應通過調整閘門開度等手段應急解決。同時，應及時分析原因，進一步優化閘門調度運行方案。

（5）進行河床動態監測，每年汛期前后要定期對水閘下游護坦、海漫進行測量檢查，定期清除砂石雜物，發現隱患及時處理。若發現存在沖刷坑等破壞時，可采用拋石護底等方式處理，進行工程養護維修。

4 結語

在微彎河道上建閘，轉彎段水流對于凹岸的頂沖作用而帶來的岸灘沖刷不容忽視，應加強護底等措施避免河道刷深，保證防汛墻安全。在水閘運營過程中，要求管理者科學合理地執行調度方案，輔以安全監測，確保工程安全，發揮工程效益。

[1] 錢寧，萬兆惠．泥沙運動力學[M].北京：科學出版社，1983．

[2] 錢寧，張仁，周志德.河床演變學[M].北京：科學出版社，1987．

[3] 白玉川，顧元棪.水流泥沙水質數學模型理論及應用 [M].天津：天津大學出版社，2005．

[4] 楊忠良.彎曲河道沖刷定量計算探索 [J]． 鐵道標準設計，2004，（3）：15-17．

[5] 王兆印，黃金池，蘇德惠.河道沖刷和清水水流河床沖刷率[J]．泥沙研究，1998，（1）：1-11．