平原區水閘閘下消能防沖與閘門控制運行探討

梁華鋒

（廣州市天河區水務設施管養中心，廣東廣州 510710）

平原地區的水閘規劃及建設過程中，水閘通常設計為多孔，實際工作過程中采用局部開啟的工作方式。這種開啟方式會使水閘閘下消能防沖出現一些問題，實際控制管理出現差錯或設計不科學時，工程存在嚴重的安全隱患。在實際工作中，必須對水閘閘下消能防沖及閘門控制運行工作加強重視，保證整個水利工程安全運行。

1 平原區水閘閘下運行基本情況

平原地區河床的土質主要以軟弱土體和肥沃土質為主，受水流沖擊時，比較容易形成沖刷痕跡和渠道。水閘過水時的動力模式會產生一定的多余能力，多余的能量也會形成沖刷痕跡與渠道。沖刷痕跡與渠道會對水閘的正常運行產生一定影響，使河床寬度大于閘寬，河道寬而淺，造成過閘水流不容易擴散。

為了避免以上問題的產生，在水閘閘下消能防沖與閘門控制的過程中，應當制定一個科學合理的水流量控制標準，結合消能與消防措施，有效控制水流量，提升水閘閘下的抗沖刷能力。

水流量越大，沖刷能力和動力越大，對河床造成的影響越大。此時，水流經過閘門時不會迅速擴散，會對周邊的建筑物體造成不利影響。水流的主流與回流也會因此而受到擠壓，出現回流沖水流現象。應當加強對各影響因素的綜合考慮，對其進行科學管理。

2 平原區水閘閘下消能防沖及閘門控制研究現狀

平原區的水閘大多為多孔，實際使用過程中多為局部開啟，能夠對閘下消能防沖造成影響的因素較多。消能防沖設計不當或閘門控制運行存在問題，會造成嚴重的后果。

（1）對平原區水閘部分開啟狀態下的水流轉化及狀態進行研究。

（2）對閘下各種水躍形式進行研究。

（3）根據一些資料對折沖水流出現因素進行分析，判斷折沖水流簡單數學模型。

（4）針對具體的水利工程，對消能防沖問題進行應對解決，結合平原區水閘特點進行消力池設計研究[1]。

（5）通過設計及運行管理等方面研究，提出有效預防下游沖刷破壞影響的相應措施。

3 水閘閘下消能防沖必備條件及下游控制水位選擇

3.1 水閘閘下消能防沖必備條件

平原區河道地質大多為黏土、亞黏土等，地質構造抗沖擊較小。水閘實際運行時，需要保證消力池符合常規消能要求，對折沖水流、下游河道中斷面平均流速及回流區強弱等因素進行綜合考慮和分析。

（1）消力池中不可出現遠驅水躍，池后不能出現二次水躍。

（2）部分閘門開啟后，不能出現較大的折沖水流。

（3）閘門大開度運行不可出現不穩定的水躍。

（4）防沖槽后不能出現強回流區域。

（5）防沖槽后的流速必須小于不沖允許流速，海鰻段與消力池流速均應小于不沖允許流速。

3.2 各種狀態下可允許下游控制水位選擇

閘門控制運行圖繪制過程中，閘上水位應為設計水位，通常節制閘閘上水位均處于設計水位旁邊，設計水位是整個消能最危險的水位。設計水位比閘上實際水位高時，相對安全，如果閘下水位變化較大，尤其是出現梯級水閘時，閘下水位和閘出流量及下級水閘運行狀態必然受到影響。

進行小流量釋放時，下游水閘不蓄水，下游河道呈現枯水狀態，情況極為危險。整個閘出流量由下游蓄水情況與上游來水情況同時控制，閘門控制運行要求解決的關鍵問題是要求水閘進行某流量釋放時，對應的閘門開啟方式及下游水位控制[2]。

如果低于一定水位必然難以運行，高于該水位時可以運行。實際實施過程中，水流極為復雜，各種影響因素較多，難以同時符合消能沖防的幾個條件，實際下游水位通常由水工模型相關試驗確定。

4 某工程閘下消能防沖與閘門控制運行分析

某水利樞紐工程為節制閘工程，有11孔弧形閘門，閘門凈寬12 m、設計水位46.0 m、設計流量3 500 m3/s、上下游河道底部高程35.0 m，上游河底與閘底板齊平。通過計算及試驗確定，閘下消力池深1.5 m、整個池長度26 m，整個水工模型試驗長度比尺采用λL為80 m。根據盡量多開孔及對稱開啟原則進行試驗。

通過試驗對比可知，如果開啟2孔，應該以3號與9號為最佳；如果開啟4孔，以3號、5號、9號為最佳；如果同時開啟6孔，應該以1號、3號、5號、7號、9號、11號為最佳。

（1）在這三類情況中，Z下min直接由消力池中水躍狀態決定。

（2）開啟孔數為2個及4個，開度分別為1.0與2.0 m時，水流出現明顯折中，實際運行過程中，應禁止開啟孔數2個、開度1.0 m和開啟孔數4個、開度2.0 m兩種情況。

（3）開啟孔數為6個、開度1.5 m時，Z下min由下游河道流速決定。

（4）開度為2.0 m時，不出現不穩定水躍對應值。

（5）開度超過2.0 m時，單款流量變大，水流出池后出現明顯波動，且流速大，難以進行調整。開啟孔數為6個時，避免開度超過2.0 m。

（6）開啟孔數為11個時，Z下min由下游河道流速決定，以閘門開度與下游水位為縱橫坐標，依據實際開啟孔數、上游水位在設計水位時的情況，繪制整個閘門控制運行曲線，曲線右側為可開區，曲線左側為不可開區。

最低水位Z下min對應關系如表1所示。

表1 最低水位Z下min對應關系

設計工況如表2所示。

表2 設計工況

5 平原區水閘閘下消能防沖具體設計要點

（1）消力池布置。

消力池布置如圖1所示。

圖1 消力池布置

池底高程及消力池深度按照過閘流量、上下游水位及實際地質地形等情況進行水躍計算，有時此計算結果為負值或0，理論上不要求進行消力池設計，但實際工程應用過程中仍需要設置一定的消力池，以實現流速調整、充分消能及穩定水躍位置。消力池長度最本質的要求是保證水躍控制在池內，消力池的長度直接與水躍長度相關。水平護坦上出現的自由水躍所需消力池極長，且與各級泄流量存在一定矛盾，實際工程實施時較少使用[3]。

（2）防沖槽及海鰻設計。

過閘水流水躍消能結束后，內部40%～70%的能量被消耗，但紊動現象依舊明顯，其底部流量分布不均勻且流速較大，必須采取一定的處理措施，在消力池布置后仍需要布置防沖槽消除能量。

（3）河岸防護。

為了保證上下游兩岸不受水流沖刷，必須進行一定的河岸防護，河岸防護長度應超過護底長度，最少延伸至沖刷末端[4]。靠近閘門的一定距離內流速較大，護岸材料通常選用現澆混凝土及一些混凝土預制塊，其余護岸部位使用砌塊石，塊石厚度通常為0.5 m，混凝土護岸厚度范圍應為0.12～0.15 m，加墊一些碎石墊層。

（4）輔助消能工。

水閘閘下的水流速度<16 m/s時，需要在消力池中設置輔助消能工，提升消能工作效率，縮短消力池長度，增大消力池深度或降低尾坎高度。常見的輔助消能工主要包括趾墩和消力墩兩種類型。趾墩應設置在消力池斜坡的末端，可以縮短消力池長度，增大消力池深度或降低尾坎高度。消力墩應設置在消力斜坡的平面，可以分散水流，增加消能效果。水頭較低時，消能效果不明顯，甚至發生水流紊亂現象。

6 結語

平原區水閘大多為多孔運行，實際運行過程中局部開啟，影響消能防沖的因素較多，效能設計不合理或實際控制管理不當，會產生非常嚴重的安全隱患。本文對當前平原區水閘閘下消能防沖及閘門控制運行研究現狀進行敘述，對需要遵照的條件及下游控制水位進行分析，結合某工程對閘下消能防沖與閘門控制運行進行具體分析。結果對制定閘門操作制度、合理保護河岸及促進水流擴散、降低下游沖刷危害等方面均具有重要的意義。