平原地區砂性土地基水閘下游河道沖刷問題研究

（宿遷市水務勘測設計研究有限公司 宿遷 223800）

1 引言

水流經過水閘流向下游時，因具有較大的上下游水位差，同時閘孔寬度一般都小于上下游河道寬，使過閘流量比較集中，單寬流量加大。因此過閘水流具有較大的動能，若不能采取適當的消能防沖措施，勢必沖刷下游河道，甚至危及水閘的安全。

根據規范要求，水閘下游的消能防沖設施包括消力池、海漫、防沖槽等，而且在規范中都給出了計算的相關公式，設計人員通過計算確定各設施的結構尺寸，考慮到過程運行過程中的不確定因素，通常最終取值都會留有余地。但是某平原區水閘在建成并運行一段時間后，發現下游防沖槽后的護坡有不同程度的損壞，消能設施經過復核都是滿足規范要求的。針對該工程的情況，本文做了相關研究。

2 基本情況

平原區某水閘設計排澇流量80m3/s，設計校核流量100m3/s。 該閘采用平底板開敞式結構型式，閘孔為3孔，單孔凈寬8.00m；下游消力池深0.8m，池長15m，海漫長40m。

閘上游護坡及護底、下游護坡、海漫均為C20混凝土護砌，厚度為0.2m，下設0.1m砂石混合墊層（砂∶石=1∶1），混凝土護坡護底均設置冒水孔，冒水孔間排距均為1m，梅花形布置。為減少水流對下游的沖刷，改善下游水流條件，在下游混凝土護底的上端12m范圍內設置5排C25鋼筋混凝土消能墩，排距為2m，梅花形布置。

該工程下游河底寬50m，河底高程0.00m，河坡坡比1∶3。設計排澇標準20年一遇，設計防洪標準50年一遇。

3 下游河道沖刷情況

該閘在運行約半年以后，管理單位在河道巡查時，發現下游防沖槽后河道護坡出現不同程度的塌陷、格埂斷裂、護坡下滑等現象。經現場勘查，護坡損壞部位位于下游防沖槽后兩岸護坡的下部，下滑的護坡順水流方向長約10m，沿河坡方向寬約5m。另外下游兩岸的河道聯鎖塊護坡均有長度約100m的坍陷段。塌陷部位河坡底腳外存在順河向沖坑，深度1～2m。

4 設計工況復核

在發現下游護坡損壞后，設計單位對水閘相關設計工況進行了復核，結果如下：

4.1 消能復核

該水閘正常蓄水位為4.1m，相應下游水位為3.1m。設計排澇流量80m3/s，設計校核流量100m3/s。水閘的消能選取上游設計排澇水位4.3m、下游河道水位0.5m作為初始水位，閘門逐級開啟進行計算，復核消力池及海漫尺寸。復核結果為：（1）計算值：消力池長度11.2m，消力池深度0.3m，海漫長度23m。（2）設計取用值：消力池長度15m，消力池深度0.8m，海漫長度40m。

因此，該水閘的消力池深度和長度、海漫長度尺寸均滿足規范要求。

4.2 下游河道斷面復核

4.2.1 河道不沖流速計算

根據巖土工程勘察報告，該水閘下游河底土層為第③層輕粉質砂壤土（Q4ml），工程地質特征為：灰黃色～淺灰色，夾有粉砂，局部地段夾有粉質粘土，干強度中等，中等壓縮性，水平層理發育，搖震反應一般，土質不均勻，分布不穩定。

該層土顆粒分析結果：砂粒（0.25～0.075mm）含量40.3%，粉粒（0.075～0.005mm）含量 54.6%，粘粒（＜0.005mm）含量5.1%。選取下游河道不同水深（0.1～3.1m）計算不沖流速，計算的允許不沖流速下限值在0.278～0.829m/s，上限值在 0.371～1.106m/s。

4.2.2 河道斷面復核

該工程下游河底寬50m，河底高程0.00m，河坡坡比1∶3，對該水閘下游河道按照設計20年一遇排澇和50年一遇行洪工況進行復核。復核結果為：①20年一遇工況下，下游河道允許不沖流速為0.728～1.201m/s，實際海漫及下游河道流速為0.312～0.719m/s。②50年一遇工況下，下游河道允許不沖流速為0.778～1.244m/s，實際海漫及下游河道流速為0.345～0.717m/s。即在20年一遇排澇校核和50年一遇行洪工況條件下，下游河道流速均小于河道允許不沖流速。

因此，該工程消能及河道斷面均滿足有關規范和工程正常使用的要求。

5 護坡損壞原因分析

5.1 河道土質及不沖流速分析

根據計算結果，下游河道不沖流速約為0.278～1.106 m/s，河道的輕粉質砂壤土在下游水位偏低時啟動流速很小，若出現下游無水，則啟動流速更低。

水閘下游水流可根據流速分為3段：水閘海漫段、銜接段、水流穩定段。其中水閘海漫段流速根據閘門開啟后的瞬時流量計算，安全開啟高度為保證水躍發生在消力池內部的控制值；水流穩定段流速根據明渠均勻流計算；銜接段的流速介于前面兩者之間，屬于流速漸變區。

水閘海漫段流速計算成果：在閘門安全開啟度為0.092～0.813m情況下，閘后海漫段單寬流量為0.5～4.5m3/s，總流量為12～108m3/s，相應海漫段水深為0.19～1.93m，海漫段對應流速為1.235～1.002m/s。

在同樣的閘門開啟度和流量工況下，水流穩定段流速計算成果：下游河道水深為0.1～3.1m，河道設計流量為0.432～140.493m3/s，水流穩定段對應流速為0.086～0.764m/s。

由上述計算結果可知，水閘海漫段的水流流速均較大，接近河道不沖流速的上限值，會引起河道沖刷，但該段有消能防沖措施；水流穩定段的流速均小于不沖流速的下限值，基本不會引起沖刷；而銜接段的流速位于水閘海漫段和水流穩定段之間，且無防沖措施，因此在下游低水位情況下，該段的沖刷是不可避免的。

目前省內及國內對海漫下游河道銜接段沖刷的研究基本屬于空白，影響的區域范圍也無法明確界定，只能通過實踐不斷積累經驗，為其他工程提供一些參考。

這在《水閘設計規范》的相關條文變化中也有所體現：

在SL265-2001版中，5.0.7條：水閘閘下消能防沖設施必須在各種可能出現的水力條件下，都能滿足消散動能與均勻擴散水流的要求，且應與下游河道有良好的連接。

在SL265-2016版中，5.0.7條：水閘閘下消能防沖設施應滿足消散動能與均勻擴散水流的要求，且應與下游河道有良好的銜接。擋潮閘閘下消能設計還應以控制運行條件下可能出現的最不利潮位作為消能計算條件。當閘下河道土質抗沖能力較差時，應加強閘下一定范圍內的抗沖防護措施。當下游無水或閘下水深遠小于躍后水深無法采用底流式消能時，可對閘下一定范圍進行圍封防護。

對比兩版規范可知，2016版中增加了“當閘下河道土質抗沖能力較差時，應加強閘下一定范圍內的抗沖防護措施”，這也是多年的工程經驗積累成果。

5.2 水閘運行調度分析

工程開工后，為保證水閘的安全調度運行，設計單位編制了水閘閘門開啟運行控制方案。該方案結合各水閘所在河道土質情況進行計算，明確了建筑物閘門的調度運行控制的“閘門安全開啟高度—流量關系曲線”和“安全開啟運行參數曲線”，并說明了曲線查詢使用方法：（1）下游河道有水時，根據上下游水位在曲線上查詢安全泄流流量和閘門安全開啟高度；（2）下游河道無水時，應將閘門依次開啟0.10m高度，待下游河道水位不斷升高并過流穩定時，再按下游河道有水情況進行閘門控制，逐級開啟運行。

以上兩種情況閘門開啟運行時，應由中間孔向兩側依次對稱開啟，由兩側向中間孔依次對稱關閉。

《水閘設計規范》（SL265-2016）條文說明5.0.7：水閘控制運用除了控制上游水位，上、下游水位差外，還必須控制單寬流量，多數水閘沖刷破壞都是由于運行調度不當造成。

若水閘運行過程中，閘門開啟操作未按照控制方案操作，則下游會出現河道沖刷。

5.3 總結

綜上所述，該水閘防沖槽下游銜接段河道沖刷的原因為：河道土質為輕粉質砂壤土，不沖流速很小，是最主要的客觀原因；水閘閘門開啟操作可能存在不規范行為，也是造成沖刷的原因之一。

6 處理措施

在發現下游護坡損壞后，建設與管理單位組織設計、施工和監理單位共同研究商討，確定了修復加固方案，具體如下：（1）拆除重建防沖槽后損壞的混凝土護坡，坡腳處增做縱向拋石防沖槽；（2）拆除水閘下游損壞的連鎖塊護坡，采用膜袋混凝土對邊坡和坡腳進行護砌；（3）對防沖槽下游河底沖坑及坡面進行拋石或混凝土塊回填。

按照以上方案加固處理后至今約兩年，工程運行良好，下游消能設施未再出現損壞情況。

7 結論與討論

水閘下游的消能防沖設施在工程中的重要性毋庸置疑，相關的設計規范中的設計原則和要求肯定是正確的。但水利工程的一個主要特點就是差異性，所處的地理位置、地形地貌、水文條件、地質條件及功能要求等因素的不同造就了水利工程這一特性。因此在水利工程設計中，在嚴格執行規范要求的基礎上，要結合實際情況，分析所有工程條件，因地制宜地選擇設計方案。本文水閘所處的河道土質為砂性土，極易沖刷，因此在設計中可適當擴大下游防護范圍，在一定程度上減少下游河道沖刷