水閘消能防沖設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

艾斯卡爾·吾休爾

(新疆維吾爾自治區(qū)水利管理總站，烏魯木齊830000)

1 水閘消能防沖設(shè)施

在平原區(qū)軟基上建的水閘消能防沖設(shè)施根據(jù)過閘流量、工程地質(zhì)條件、消能防沖要求等條件，一般主要布置形式包括水閘閘室下游的護(hù)坦(又稱消力池)，海漫及海漫末端的防沖墻。護(hù)坦(又稱消力池)的主要功能是消除過閘水流的能量，防止沖刷下游河床。海漫的主要功能是使流出消力池水流回復(fù)正常狀態(tài)，最大程度減少紊流，減小底部流速，使水流平穩(wěn)擴(kuò)散，調(diào)整流速分布，繼續(xù)消除水流的剩余動(dòng)能，流出護(hù)坦的水流與下游河道平順銜接。海漫末端防沖墻的主要功能是防止海漫末端被水流沖刷淘空［1］。

2 水閘消能防沖設(shè)施破壞機(jī)理

2.1 設(shè)計(jì)方面

首先地質(zhì)勘探工作不足，對(duì)閘基礎(chǔ)、河床土質(zhì)物理力學(xué)性指標(biāo)了解不全，設(shè)計(jì)中未能發(fā)現(xiàn)存在的地質(zhì)問題，因而出現(xiàn)基礎(chǔ)不均勻沉陷而引起消力池傾斜、倒塌等破壞現(xiàn)象;其次樞紐布置不合理，產(chǎn)生偏向水流或回流，或者由于上游河床淤積，人為縮窄，整治段偏短等原因，引起過閘單寬流量不合理，致使消能防沖設(shè)施遭受沖刷破壞;再次設(shè)計(jì)的消能防沖設(shè)施不滿足消能防沖要求，影響出閘水流的水流邊界條件及流態(tài)，使消能防沖設(shè)施產(chǎn)生氣蝕、磨損及基礎(chǔ)淘刷等現(xiàn)象，或者水閘防滲排水設(shè)計(jì)不合理，使地基發(fā)生滲透變形，引起流土破壞，使消力池底板沉陷、開裂、導(dǎo)致下游消能防沖設(shè)施的破壞。另外在設(shè)計(jì)中水力計(jì)算方法不規(guī)范，參數(shù)取用不合理，是消力池長(zhǎng)度、深度，海漫長(zhǎng)度和防沖墻深度不符合要求等也引起消能防沖設(shè)施的破壞［2］。

2.2 施工方面

工程施工質(zhì)量存在缺陷，沒有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工;施工控制不嚴(yán)，消能防沖設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸不符合設(shè)計(jì)要求，混凝土澆筑質(zhì)量差、達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，過水部分粗糙、沒有進(jìn)行修整及清理等原因，在運(yùn)行時(shí)容易造成消能防沖設(shè)施的破壞。

2.3 管理運(yùn)用方面

運(yùn)行管理措施不到位，制度不健全，維修養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，小缺陷得不到及時(shí)處理逐步演變成重大破壞。運(yùn)行中沒有按閘門操作規(guī)程進(jìn)行操作，閘門開啟順序及開度不合理，造成局部單寬流量和流速過大，使消力池內(nèi)形成不良流態(tài)，引起磨損及淘刷等破壞現(xiàn)象。未經(jīng)充分論證或復(fù)核就改變運(yùn)用條件，引起消能防沖設(shè)施結(jié)構(gòu)破壞和下游河床嚴(yán)重沖刷［3］。

3 水閘消能防沖設(shè)計(jì)原則

根據(jù)水閘的運(yùn)用要求，其上下游水位，過閘流量以及泄洪方式等常常是復(fù)雜多變的，因此，水閘下游消能防沖設(shè)施必須在各種可能出現(xiàn)的水力條件下，都能滿足消散動(dòng)能與均勻擴(kuò)散水流的要求。由于水流通過閘室時(shí)，具有較大的水能，同時(shí)閘孔寬度比天然河道狹窄，使過閘流量比較集中，單寬流量加大，水流具有較大的動(dòng)能，必修采取措施，使出閘水流與下游河道有良好的流態(tài)銜接。水閘消能防沖設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則:

1)出閘水流流速較大，紊動(dòng)強(qiáng)烈，必須考慮下游消能問題。平原地區(qū)水閘的水頭一般較低，河道土質(zhì)抗沖能力較小，下游水位變化又較大，一般常采用底流式消能方式。

2)要求修筑的消力池或其他型式的消能設(shè)施，應(yīng)在可能發(fā)生的工作情況下，都能滿足水躍共軛水深的要求。

3)充分的重視，過閘水流在下游形成波狀水躍，沖刷下游河道，要采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

4)水閘閘門的控制運(yùn)用是保證工程安全運(yùn)行的主要因素，閘門控制運(yùn)用不當(dāng)，將產(chǎn)生集中水流或折沖水流等不良流態(tài)，造成沖刷破壞。因此，應(yīng)根據(jù)水力設(shè)計(jì)或水工模型試驗(yàn)成果，制定合適的閘門控制運(yùn)用方式［4］。

4 護(hù)坦的設(shè)計(jì)

消力池的主要型式有3 種:①挖深式消力池，即降低護(hù)坦高程所形成的消力池;②尾坎式消力池，即護(hù)坦高程不降低，在其末端修建消能坎形成的平底消力池;③綜合式消力池，是一種常用的、既有挖深又筑有低坎的消力池型式。設(shè)計(jì)中根據(jù)水閘流量，上下游水位差，單寬流量、河床地質(zhì)等條件合理選擇消力池形式，并根據(jù)規(guī)范計(jì)算確定消力池的深度、長(zhǎng)度和消力池地板的厚度。

消力池在運(yùn)行過程中，承受高速水流的沖擊以及脈動(dòng)壓力、揚(yáng)壓力等的作用，受力比較復(fù)雜，必須具有較好的強(qiáng)度、整體性和穩(wěn)定性。對(duì)于有高速水流沖擊的消力池，還應(yīng)具有較強(qiáng)的抗沖能力，并滿足抗浮的穩(wěn)定性要求。

5 海漫的設(shè)計(jì)

雖然消力池能抵消部分水能，由于種種原因流出消力池的水流，底部流速較大，流速分布也未恢復(fù)到正常狀態(tài)，對(duì)河床仍有較強(qiáng)的沖刷能力。所以對(duì)護(hù)坦以下的河床，除抗沖能力很強(qiáng)的巖基外，一般均設(shè)置海漫護(hù)底，以免引起嚴(yán)重沖刷。海漫設(shè)計(jì)中首先要控制好水流擴(kuò)散和單寬流量。根據(jù)消力池末端單寬流量和河床土質(zhì)情況根據(jù)規(guī)范推薦的經(jīng)驗(yàn)公式合理確定海漫長(zhǎng)度。在下游河床局部沖刷不大時(shí)，可采用水平海漫;反之，采用傾斜海漫，或者前面一段是水平的，后面一段是傾斜的。根據(jù)試驗(yàn)資料海漫宜做成等于或緩于1∶10的斜坡。

根據(jù)海漫所承擔(dān)的功能，它應(yīng)具有一定的柔性、透水性、表面粗糙性和抗沖性。柔性是可以使海漫在一定程度上能適應(yīng)河床的變形;透水性是為了消除海漫底部的滲透壓力;表面粗糙性是為了消除水流的余能;抗沖性是為了保證海漫本身不致被水流沖刷破壞，從而達(dá)到保護(hù)河床的目的。

6 防沖墻的設(shè)計(jì)

經(jīng)過海漫末端的水流仍具有一定的沖刷能力，一定程度上危及海漫等結(jié)構(gòu)的安全。為此，常在海漫末端設(shè)置一道防沖墻。防沖墻宜設(shè)重力式擋土墻形式，墻頂與海漫頂面齊平，墻底高程決定于沖刷深度、開挖施工等條件。在設(shè)計(jì)中確定防沖墻深度，應(yīng)根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中河床土質(zhì)允許不沖流速應(yīng)結(jié)合河床地基土顆分曲線合理確定。在實(shí)際工作中軟基上的水閘海漫末端防沖墻深度公式計(jì)算值往往很大，按此值做防沖墻既不經(jīng)濟(jì)，施工也困難。因此結(jié)合已建工程，進(jìn)行類比，合理確定防沖墻深度。

7 結(jié) 語

平原地區(qū)土質(zhì)河道的抗沖能力較低，通過消力池、海漫、防沖槽以及上游河岸的防護(hù)措施能夠有效提升水閘的消能防沖能力;同時(shí)合理布置水閘平面及上下游連接段，根據(jù)現(xiàn)有的水力學(xué)理論，分析過閘水流的特性，精確計(jì)算各部位尺寸，制訂完善的閘門操作制度，才能保證水閘建成后安全運(yùn)行，最大限度地降低水閘下游沖刷帶來的危害，從保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

［1］陳寶華，張世儒. 取水輸水建筑物叢書—水閘［M］. 北京:中國(guó)水利水電出版社，37－43.

［2］江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.SL265—2001 水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國(guó)水利水電出版社，2001.

［3］李占松，高雙聚，楊玲霞. 平原區(qū)水閘下游消能防沖與閘門控制運(yùn)行［J］. 水利水電科技進(jìn)展，2011(05):19－21.

［4］郭憲艷，馮碩. 平原地區(qū)水閘消能防沖設(shè)計(jì)探討［J］. 中國(guó)水運(yùn)，2011，11(03):144－145.