淺談水閘工程中的消能防沖計算

陳 杰

（上海嘉定水務工程設計有限公司，上海市201800）

0 引言

水閘是一種調節水位、控制流量，既擋水又泄水的低水頭水工建筑物。水閘主要依靠閘門控制水流，具有擋水和泄（引）水的雙重功能，在防洪、治澇、灌溉、供水、航運、發電等方面有著廣泛的應用。

為保護水閘下游河床免受沖刷，需采取必要的消能防沖措施。水閘的消能方式，一般采用底流式水躍消能。其主要消能結構為消力池，在池中利用水躍消能。海漫段緊接在消力池之后，繼續消除水流余能，使水流擴散并調整流速分布，減少底部流速，保護下游河床免受沖刷。防沖槽設置在海漫段末端，主要作用是保護海漫段的安全。

消力池、海漫段、防沖槽等消能防沖設施的設計離不開消能防沖計算。現以“嘉定蕰藻浜以南地區近期引水調度工程”中的鹽鐵塘泵閘為例，對水閘消能防沖計算的內容作簡要介紹。

1 項目概況

上海嘉定蕰藻浜以南地區，位于嘉定區的最南端，西北以蕰藻浜為界，南依蘇州河，東臨中槎浦和新槎浦，區域總面積約100.36km2。“嘉定蕰藻浜以南地區近期引水調度工程”共新建控制工程21座，其中泵閘8座，節制閘13座。工程建成后，該區域可形成獨立的水資源調度系統，近期采用“北排蕰藻浜，南引蘇州河”的引水調水模式，形成南北向定向流動，增加河網水動力，提高河道自凈能力。中遠期，還可以通過流域綜合調度，利用該工程引入長江水，進一步提升蕰藻浜以南地區河道水質，并為蘇州河提供清水源。此外，引調度區工程可有效提高整個蕰藻浜以南地區防汛除澇能力。該區建成后，汛期可通過泵閘工程調度，有效控制內河水位，達到擋洪除澇的目的，確保該區域的水安全。

鹽鐵塘泵閘位于蕰藻浜一線，泵站設計流量30m3/s，水閘凈寬8m。水閘主要功能為防洪擋水、引水及排水。閘門為升臥式平板鋼閘門，采用卷揚式啟閉機。水閘底坎高程-1.00m，消力池首端及末端寬度均為8m。泵閘所在河道河口寬55m，河底高程-1.00m。

2 基礎資料

2.1 特征水位

嘉定蕰藻浜以南地區屬上海市水利分片中的“嘉寶北片”。根據《嘉定蕰藻浜以南地區近期引水調度規劃》，鹽鐵塘泵閘內外河特征水位如下：

2.1.1 內河（引調度區）水位

防洪高水位3.87m，最高控制水位3.50m，常水位2.60～2.80m，排澇預降水位2.00m。

2.1.2 外河（蕰藻浜）水位控制最高水位3.87m，常水位2.60～2.80m，控制最低水位2.00m。

2.2 地質概況

鹽鐵塘泵閘位于嘉定區安亭鎮，根據地勘資料，其勘察35.00m深度范圍內所揭露的土層為全新世Q4的濱海～河口、濱海～淺海、濱海、沼澤、溺谷，晚更新世Q3河口～湖澤、河口~濱海、濱海～淺海相沉積物，根據地基土的成因、成分、結構分層。該工程共分出8個主要工程地質層及分屬不同工程地質層的亞層。

該工程河道岸坡位于②1層灰黃色粉質黏土、③1層灰色淤泥質粉質黏土，其土層特征如下：

②1層灰黃色粉質黏土，可塑，含氧化鐵斑點、夾鐵錳質結核，搖振反應無，韌性中等、干強度中等、稍有光澤，由上至下逐漸變軟。層位穩定，厚填土區缺失。

③1層灰色淤泥質粉質黏土，流塑，含云母、夾粉砂，搖振反應無，韌性中等、干強度中等，稍有光澤。層位穩定，全場地分布。

3 消能防沖計算

3.1 水位組合

根據水閘功能定位，按正向（排水）及反向（引水）劃分，選取四個工況進行消能防沖計算，詳見表1所列。

表1 鹽鐵塘泵閘消能防沖計算水位組合表

3.2 河道不沖流速及允許流量

根據勘察報告，該工程河道岸坡位于②1層灰黃色粉質黏土、③1層灰色淤泥質粉質黏土。根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288—2018）附錄F[1]，當水力半徑R=1時，取河道的不沖流速V不沖=0.75m/s。當河道水力半徑R不等于1時，V不沖’=V不沖×Rα，α取1/4。經計算，不同工況下河道的計算不沖流速和允許流量見表2所列。

3.3 閘門開度及過閘流量

根據河道的計算不沖流速和允許流量確定各工況下閘門開度及過閘流量，計算方法參照《水閘設計規范》（SL265—2016）附錄A[2]，計算結果見表3所列。由計算結果可知，若閘門開度按3m控制，各工況下水閘的最大過閘流量均小于河道的允許流量，過閘流量可以滿足下游河道的防沖要求。

表2 河道不沖流速及允許流量計算成果表

表3 閘門開度及過閘流量計算成果表

3.4 消能防沖計算

以工況一為例簡述消能防沖計算過程，計算原理，以及式中各代表符號參照《水閘設計規范》（SL 265—2016）附錄B。

3.4.1 計算原理

（1）消力池深度計算公式：

（2）消力池長度計算公式：

（3）消力池底板厚度計算公式：

由于消力池內設有冒水孔，厚度可根據抗沖要求確定。

（4）海漫長度計算公式：

（5）海漫末端的河床沖刷深度計算公式：

3.4.2 消力池計算

（1）判別是否設置消力池。

上游水深H=3.5+1.0=4.5（m）下游水深h’s=2.6+1.0=3.6（m）。假設d=0，由此計算收縮水深hc=2.01m，躍后水深hc’’=4.08m＞3.60m，需設置消力池。

（2）池深試算。

出池落差ΔZ=0.32m，令σ0=1.05，消力池池深d=σ0hc''-hs'ΔZ=0.37m，取池深d=0.4m，T0=4.50+0.40=4.90m，同上計算得hc=2.31m，hc’’=3.63m，ΔZ=0.12m，，滿足要求，故消力池深d=0.4m。

（3）池長計算。

水躍長度Lj=6.9（hc''-hc）=9.10（m），消力池長度Lsj=Ls+βLj=0.4+0.8×9.10=7.78（m）

（4）池厚計算。

水閘閘孔泄水時的上、下游水位差ΔH'=3.5-2.6=0.9（m），消力池底板計算系數k1取0.15，抗沖厚度

3.4.3 海漫段長度計算

消力池末端單寬流量qs=15.28m3/s，ΔH'=0.9m，經計算滿足要求。

根據地質勘察報告，河床土質為③1層灰色淤泥質粉質粘土，取海漫段長度計算系數Ks=10，計算得海漫長度

3.4.4 河床沖刷深度計算

海漫段末端單寬流量qm=2.22m3/s，河床土質允許不沖流速 [v0]=0.50m/s，海漫末端河床水深hm=3.60m，計算得海漫末端河床沖刷深度dm=

3.4.5 計算結果

同理，對工況二、工況三、工況四進行計算，消能防沖計算結果見表4所列。

?

3.4.6 消能防沖設施布置

根據消能防沖計算結果，鹽鐵塘泵閘內外河消力池深度均取為0.40m，消力池長度均取為10m，消力池厚度均取為0.8m。內外河海漫段長度均取為40m，內外河防沖槽深度均取為1.50m。

4 結語

消能防沖設施作為水閘工程的重要組成部分，本文結合工程實例簡要介紹了水閘的消能防沖計算。計算時，應首先分析可能出現的開閘工況；其次分析各工況下水閘所在河道的允許過流能力，根據河道允許過流能力確定閘門最大開度及最大過閘流量；最后，再進行消能防沖計算并依據計算結果確定消力池、海漫段、防沖槽的結構尺寸。