水閘防沖設(shè)施破壞機(jī)理存在問題及設(shè)計(jì)研究

鞠福勇

(大連市普蘭店區(qū)河道管理處，遼寧 大連 116200)

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水閘防沖設(shè)施破壞機(jī)理存在問題及設(shè)計(jì)研究

鞠福勇

(大連市普蘭店區(qū)河道管理處，遼寧 大連 116200)

深入研究水力學(xué)理論科學(xué)布置上下游水位的連接段及水閘等擋水建筑物的平面結(jié)構(gòu)，并制定設(shè)計(jì)合理精確的閘門操作制度，可以最大限度的保證水閘等擋水建筑物的安全運(yùn)行以及下游河床的安全穩(wěn)定，其最關(guān)鍵的問題就是科學(xué)合理的設(shè)計(jì)水閘消能防沖設(shè)施。文章研究分析了水閘等擋泄水建筑物的破壞機(jī)理，并針對各個(gè)破壞問題分析研究了對應(yīng)的解決措施僅供參考。文章以水力學(xué)理論、水閘的運(yùn)行特性為依據(jù)，系統(tǒng)分析并提出在設(shè)計(jì)實(shí)施水閘等擋水建筑物中應(yīng)該考慮的原則和注意事項(xiàng)，并為后續(xù)的水閘消能防沖設(shè)施的設(shè)計(jì)施工提供了一定建議。

水閘；消能防沖；破壞機(jī)理；消能池

1 目前國內(nèi)水閘建設(shè)概況

截至2000年，中國各省地市級政府水利部門管理的大型水閘和中型水閘共3700多座。主要包括：大型水閘486座(過閘流量>1000m3/s)、中型水閘3278座(1000m3/s<過閘流量>100m3/s以上)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，破壞嚴(yán)重的下游河道的擋水設(shè)施占全部大中型水閘的42.3%[1]。

目前國內(nèi)外的專家學(xué)者對于水閘消能的研究，已經(jīng)較為深入廣泛。對于閘下沖刷破壞的研究顯示，產(chǎn)生此問題的原因很多：消能設(shè)計(jì)條件不合理、閘門開啟不對稱、平面布置不合理、開啟速度過快等。國內(nèi)常選用最大單寬能量(E=ρgΔHq)作為水閘消能防沖的主要控制條件之一。上游水位和下游水位分別采取提閘泄水時(shí)的閘上最高擋水位和相應(yīng)于前一級開度泄量的下游河道水位及可能出現(xiàn)的最低水位。下游水位要把水位升高滯后于泄量增大的情況及閘門開啟過程中的非恒定流特性考慮在內(nèi)[2]。

消能防沖的設(shè)計(jì)條件采取的是恒定流的計(jì)算公式，選用門分級開啟逐級試算的方法找出最大單寬量(E=ρgΔHq),此算法導(dǎo)致消能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)常常選擇不當(dāng)，主要是閘門開啟過程中非恒定流水力要素規(guī)律的偏差。

以出閘流量、地質(zhì)條件的消能防沖要求為依據(jù)，水閘消能防沖設(shè)施主要包括海漫、海漫末端的防沖墻、水閘閘室下游的消力池(護(hù)坦)。

消力池(護(hù)坦)的主要作用是消除下泄水流的動(dòng)能，并使得下泄急流迅速變?yōu)榫徚鳌?/p>

海漫的主要功能是消除經(jīng)過消力池(護(hù)坦)流出的水流的剩余動(dòng)能，調(diào)整流速使水流均勻流出，使得經(jīng)過消力池(護(hù)坦)流出的水流與下游河道水流順利對接。而以防海漫末端被水流沖刷淘空是海漫末端防沖墻的主要作用[3]。

2 水閘消能防沖設(shè)施破壞機(jī)理存在問題

2.1 水閘設(shè)計(jì)存在問題

1)消力池(Stillingbasin)傾斜、倒塌的破壞：我國地大物博目前地質(zhì)勘探工作覆蓋面有限，有些工作了解不到位如河床土質(zhì)物理力學(xué)性指標(biāo)、閘基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)實(shí)施過程中存在的地質(zhì)問題等引起。

2)水閘的樞紐非理性布置，從而產(chǎn)生回流、偏向水流。

3)消能防沖設(shè)施受到?jīng)_刷破壞：上游河床的泥沙不斷淤積及整治段偏短引起過閘單寬流量不合理而導(dǎo)致。

4)消能防沖設(shè)施磨損、基礎(chǔ)淘刷及氣蝕：由于消能設(shè)計(jì)不符合消能防沖要求使出閘水流的水流條件及流態(tài)受到影響。

5)由于水閘防滲排水設(shè)計(jì)缺陷引起的一系列問題如：下游擋水設(shè)施破壞、流土遭到破壞、消力池底板開裂、地基變形等。

此外，在水閘設(shè)計(jì)中水力計(jì)算方法及參數(shù)取用存在問題，海漫長度和防沖墻深度，消力池(Stillingbasin)的長度、深度存在問題等也引起消能防沖設(shè)施的破壞[4]。

2.2 工程施工質(zhì)量及管理存在缺陷

由于工程施工過程程序復(fù)雜導(dǎo)致并沒有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工或者施工監(jiān)管不嚴(yán)格；混凝土澆筑瑕疵不達(dá)標(biāo)、消能防沖設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸不達(dá)標(biāo)、過水部分粗糙、未按時(shí)進(jìn)行修理修繕使得在水閘運(yùn)行時(shí)造成擋水設(shè)施的破壞。

在水閘運(yùn)行管理沒有設(shè)計(jì)嚴(yán)格的制度及措施或者執(zhí)行不到位，未能按時(shí)維護(hù)小問題未及時(shí)得到妥善處理逐步導(dǎo)致重大損失。水閘運(yùn)行時(shí)未按照嚴(yán)格的閘門操作流程執(zhí)行，閘門開啟存在問題導(dǎo)致流速和局部單位寬度水流量過大引起消力池(護(hù)坦)內(nèi)形成不良流態(tài)造成淘刷及磨損等嚴(yán)重后果。在運(yùn)行時(shí)未得到確切論證就擅自改變運(yùn)用條件導(dǎo)致下游河床嚴(yán)重沖刷和擋水設(shè)施結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p壞引起一系列嚴(yán)重問題必須引起高度重視。

3 水閘消能防沖設(shè)計(jì)研究

一般水閘的過閘流量、泄洪方式以及上游水位與下游水位等常常是變化各異的，結(jié)合水閘的運(yùn)行要求、水閘的消能防沖等一系列擋水設(shè)施無論在何種水力條件都應(yīng)符合均勻擴(kuò)散水流和水流消散動(dòng)能的要求。

另外因?yàn)樗鬟^閘時(shí)具有較大的動(dòng)能，水閘的寬度低于河道的寬度，使得水流過閘量較為集中時(shí)，單位寬度的水流量加大導(dǎo)致水流動(dòng)能增大，從而設(shè)計(jì)相對應(yīng)的設(shè)施使過閘水流與下游河道有較好的水流對接。

對此建議水閘消能防沖設(shè)施的設(shè)計(jì)需要遵循以下原則：

1)過閘水流流速一般較大而且紊動(dòng)激烈，須把下游水位的消能問題考慮在內(nèi)。若水閘抗沖能力小、水頭低、下游水位變化大建議采用底流式消能。

2)消力池(護(hù)坦)或其他消能設(shè)施應(yīng)盡可能的滿足水躍共軛水深。

3)對于在下游消能防沖設(shè)施的過閘水流形成波狀水躍或沖刷下游河道應(yīng)該高度重視并采取安全措施。

4)以水力設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)制定閘門控制運(yùn)用方式來保證工程安全。避免由于閘門控制運(yùn)用失誤產(chǎn)生水流折沖或水流集中等危險(xiǎn)流態(tài)而造成沖刷損壞。

消力池(護(hù)坦)的主要形式有3種:尾坎式消力池(即在護(hù)坦高程末端修建消能坎，形成的平底消力池)、挖深式消力池(護(hù)坦高程降低后形成的消力池)綜合式消力池(既有挖深又筑有低坎的消力池型式，較為常用)[5]。

在水閘設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)河道的實(shí)際地質(zhì)物理力學(xué)性指標(biāo)、河道的上游水位與下游水位差值、單位寬度的最大水流量、水閘流量等情況綜合起來并合理的選擇消力池(護(hù)坦)形式。同時(shí)依照相關(guān)要求合理計(jì)算消力池的長度與深度和厚度。并計(jì)算水閘在運(yùn)行過程中，消力池必須承受揚(yáng)壓力、脈動(dòng)壓力及高速過閘水流的沖擊力，所以消力池必須具有一定強(qiáng)度的抗沖能力應(yīng)對高速過閘水流的沖擊力還應(yīng)該滿足抗浮的穩(wěn)定性要求。

在具體的設(shè)計(jì)施工中，經(jīng)常會忽略消力池(護(hù)坦)深度與出閘流量之間的關(guān)系，認(rèn)識錯(cuò)誤慣性思維認(rèn)為在過閘流量最大時(shí)消力池(護(hù)坦)深度也最大，因而引起計(jì)算失誤。在消力池(護(hù)坦)相關(guān)深度的確定值計(jì)算時(shí)，應(yīng)該根據(jù)已有水閘數(shù)據(jù)假設(shè)過閘流量的不同值并算出每個(gè)值對應(yīng)的消力池(護(hù)坦)深度，并綜合比較確定最大值作為消力池(護(hù)坦)的深度。另外也可以畫出關(guān)系曲線(消力池的深度與過閘水流的流量關(guān)系曲線)從而確定消力池(護(hù)坦)的深度的確定值。

流出消力池(護(hù)坦)的水流對河床仍有較強(qiáng)的沖刷能力，在消力池(護(hù)坦)抵消水的一部分動(dòng)能之后，但也由于其他原因使得消力池(護(hù)坦)的水流底部流速較大沒有達(dá)到正常流態(tài)。因此為了避免河道的嚴(yán)重沖刷，消力池以下的河道應(yīng)該使用堅(jiān)硬的巖基還要設(shè)置海漫護(hù)底來抵抗沖擊力。

在對海漫設(shè)計(jì)實(shí)施中必須要控制好單位寬度內(nèi)最大的水流量和水流的擴(kuò)散度。消力池(護(hù)坦)末端河道的土質(zhì)情況和單位寬度內(nèi)最大的水流量并結(jié)合對應(yīng)的公式計(jì)算得出海漫長度。在下游河道的沖擊力較小時(shí)一般選用水平的海漫形式，在下游河道的沖擊力較大時(shí)選用傾斜的海漫形式。或者采用結(jié)合式即前面一段水平后面一段傾斜。

選用傾斜海漫時(shí)一般斜坡采用≤1∶10。由于海漫功能所以海漫應(yīng)具有較強(qiáng)的河道的沖擊力、表面粗糙性、柔性和透水性。海漫的抗河道的沖擊力是為了保護(hù)河道并保證海漫不被水流沖擊破壞。海漫的表面粗糙性的功能是抵消除水流的剩余動(dòng)能。海漫的柔性是保證海漫在一定范圍內(nèi)可以順應(yīng)河道的變化。海漫的透水性是保證抵除來自底部的滲透壓力。

一般情況下應(yīng)該在海漫的末端增加設(shè)置一道海漫的防沖設(shè)施，因?yàn)榱鞒龊Ｂ┒说乃魅匀挥幸欢ǖ臎_擊力也會在一定程度上影響海漫等消能設(shè)施結(jié)構(gòu)的安全。

通常情況下海漫防沖墻采用重力式擋土墻形式(海漫頂面應(yīng)該和墻頂齊平，墻底高程決定于開挖施工、沖刷深度等條件)。以水閘設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算公式來計(jì)算確定海漫防沖墻深度，在計(jì)算過程中應(yīng)該根據(jù)河道地基土顆分曲線確定河床土質(zhì)允許不沖流速[6]。

在實(shí)際情況中如果得值過大使得海漫防沖墻施工經(jīng)濟(jì)壓力大而且施工難以進(jìn)行，那么可以結(jié)合現(xiàn)有成功的案例工程合理確定海漫防沖墻深度。

4 結(jié) 論

科學(xué)合理的設(shè)計(jì)水閘消能防沖等擋水設(shè)施的保證其安全運(yùn)行以及下游河道的安全穩(wěn)定。在整個(gè)安全設(shè)計(jì)的進(jìn)程中，務(wù)必要符合設(shè)計(jì)要求并且要以實(shí)際情況為依據(jù)充分地把地質(zhì)力學(xué)條件、消能防沖的各種安全運(yùn)行方式以及水閘等擋水設(shè)施的安全運(yùn)行考慮到位。

在水閘等擋水建筑物的施工階段，應(yīng)該要仔細(xì)研究成功的水閘案例，確保保質(zhì)保量監(jiān)管到位隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問題要進(jìn)行及時(shí)妥善的處理，才能不斷提高水閘消能防沖的科學(xué)合理設(shè)計(jì)的水平。

深入研究水力學(xué)理論科學(xué)地布置上游水位與下游水位的連接段及水閘等擋水建筑物的平面結(jié)構(gòu)，科學(xué)詳細(xì)的分析過閘水流的力學(xué)性質(zhì)并精確計(jì)算海漫、海漫末端的防沖墻、下游的消力池各部位的數(shù)據(jù)，同時(shí)制定設(shè)計(jì)合理精確的閘門操作制度，最大限度的保證水閘等擋水建筑物的安全運(yùn)行并使得盡量減少下游沖擊引來的危害，必須保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

[1]袁庚堯,余倫創(chuàng).全國病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固專項(xiàng)規(guī)劃綜述[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2003,22(03):6-9.

[2]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.

[3]袁劍軍.土石壩防滲墻黏土混凝土材料的工程應(yīng)用初探[J].水利建設(shè)與管理,2013(02):33-35.

[4]艾斯卡爾·吾休爾.水閘消能防沖設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].黑龍江水利科技，2014,10(42):117-118.

[5]文恒,智泓,牟獻(xiàn)友.水閘消能防沖設(shè)計(jì)條件的確定[J].水利水電科技進(jìn)展，2015,25(06):11-20.

[6]陳立新,聶世虎,王子朝.水閘深度與長度計(jì)算中應(yīng)注意的問題[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2005(04):16-19.

1007-7596(2016)10-0079-03

2016-09-14

鞠福勇(1972-)，男，遼寧大連人，工程師，研究方向?yàn)楹拥乐卫砼c管理、水利工程施工、監(jiān)理、水利工程管理等。

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