對水閘設計問題的補充討論之二
——水閘底流消能水力設計

茹建輝

(廣東省水利廳,廣州 510635)

1 下游河道水位流量關系的確定

底流消能是水閘工程應用最廣的消能形式，在水閘泄流時，若下游仍有足夠高的水位，保證水躍旋滾出現在消力池中或其上游，工程能安全地運行。若在泄流時下游水位低于相應的設計值，消力池不能形成水躍旋滾，流速較大的水舌將越過消力池尾，進入海漫和下游河床，形成“遠驅水躍”，沖毀下游的海漫和河道，破壞會繼續向上延伸危及消力池等主體工程。自上世紀以來，由于河沙被大量抽取，很多河道河床下切和水位下降，已引起大量用底流消能水閘的海漫甚至消力池被沖毀。工程下游水位是消能工程設計不可缺失的下游邊界，其選定合理與否是工程設計成功與否的關鍵；同樣下游水位流量關系是否在繼續下降，會不會超過設計條件，也是工程能否安全運用的關鍵。

遺憾的是，對工程下游河道水位及其變化趨向的研究與分析，這個及底流消能工程設計成敗的重大問題，并末受到應有的重視。《水閘設計規范》(SL 265—2016，以下簡稱為《規范》)第5.0.8條只簡單地提出:“當下游水深大于臨界水深時，消力池計算見附錄B”，該條的條文解析稱:“要求出池河床水深大于臨界水深，否則消力池后將出現急流狀態，這是不符合設計要求的”[1]。

關于 “出池河床水深”問題將在后面討論。眾所周知，臨界水深只是判斷水流流態的一個水力學指標，與河床的抗沖能力完全沒有直接聯系。表1為一般水閘在中、小開度泄流時，矩形河床的單寬流量q與相應的臨界水深hk和臨界流速Vk的關系。根據對軟基河床水文測驗資料初步統計分析證明，實際軟基河床的沖淤動力平衡流速，可能不及臨界流速Vk的50%，用下游河床水深是否大于臨界水深來確定消能效果，似乎是毫無根據的。此外，水文測驗資料還證明，砂質河床的河道都是緩流，其上游河床的顆粒大于下游，其不沖流速或沖淤動力平衡流速亦大于下游，但都遠小于臨界流速。

表1 單寬流量與相應的臨界水深和臨界流速的關系

因工程下游水位決定消能設施的成敗與工程安危，水閘下游水位流量關系的合理選擇，應當是消能設計必不可缺的重要內容。《規范》1984版有關底消能水力設計的第4.0.5條的條文及編制說明中指出：“確定消力池設計的控制條件，情況是比較復雜的，它與水閘上下游水位差、過閘單寬流量、下游水位、閘門開啟方式、閘門開啟速度和下游水位能否迅速抬高等因素有關。在水閘設計中，應詳細計算可能遇到的各種水位組合情況……”。這是該版《規范》編寫的專家們總結了20世紀80年代以前，依據大量水閘工程設計和水閘工程安全運用經驗得出的結論，在當時(河道未普遍出現下切)是完全正確的，對指導水閘正確地進行消能水力設計起了很大的作用。遺憾的是《規范》自2001版開始，把上述重要的指導性條文中有關必須重視下游水力邊界問題弱化，到2016版第5.0.8條更簡化為“底流式消能設計應根據水閘泄流條件進行水力計算”，水閘泄流經消能后的流場應與下游平順銜接，盡可能不沖刷損毀下游河床，這是消能設計的目的。沒有消能設施下游水力邊界的可靠資料，沒有可靠的下游水位流量關系作為設計依據，消能水力計算根本不可能正確地進行，沒有辦法保證建成的水閘下泄水流不會沖刷損毀下游海漫和河槽，并進而向上發展危及消力池。

鑒于筆者未查到包括《規范》在內的相關專業規范有對水閘工程下游水力邊界選定和變化分析的指導和要求，為保證工程設計安全，筆者不得不再次在此提出建議，供設計人員和《規范》編審專家參考。

1) 水文觀測資料證明，河道中任何斷面的水位與流量關系，都不是單一曲線，而是一組“繩套”狀的曲線族。

2) 對同一場洪水過程而言，在漲水期由于下游河道的槽蓄作用，使水位升高滯后于流量增加；而在來水流量逐漸減少的退水期，同樣因槽蓄作用使水位下降滯后于流量減少。故對同一流量而言，退水段水位流量關系曲線較漲水段高，一次洪水過程的水位流量關系是流量與水位成雙值對應的“繩套”狀的曲線。

3) “繩套”的位置和張開度不僅與該次洪水特性有關，還與前期水文條件有關。若前期發生過較大洪水，河槽刷深，“繩套”位置較低；當前期連續干旱，河道部分淤高，“繩套”位置較高；若該次洪水歷時較長和總量較大，“繩套”的張開度較小；反之則張開度較大。

4) 把同一站點歷次洪水水位流量過程線繪在同一圖上，就形成一組如上述流量與水位多值對應的“繩套”曲線族。

5) 為保證在各種泄流條件下水躍均發生在消力池及其上游， 底流消能的水閘工程應用“繩套”曲線族偏低值包絡線作為設計的下游水力邊界。

圖1為海南龍塘水文站在20世紀70年代河道變化相對穩定期時，3次洪水的水位流量過程線。由圖1可見， “繩套”位置變化不大；這幾次洪水總量較大，“繩套”的張開度都較小，后期洪水過程線的位置略低于前期。由圖中可見，若以水深計算，該“繩套”曲線族的上、下包絡線與中值線之差約為±10%。圖2為廣東化州水文站1988—2001年4次洪過程線的“繩套”，由圖2可見，該站下游河槽正處于下切過程，尚未穩定。若要在此類河段建底流消能的攔河閘，還需補充資料，分析“繩套”最終穩定的位置;當現有資料尚不足以確定其穩定位置時，應考慮未來可能要采用穩定閘后尾水位的補救措施。

圖1 龍塘站20世紀70年代洪水水位流量關系示意

圖2 化州站1988—2001年洪水的水位流量關系示意

上述現象除再次提請設計人員重視外，建議《規范》補充專門針對水閘設計所必需的、下游水位流量關系的分析和選擇指導性章節條文，以求更好地履行指導水閘設計的職責。因一般水閘工程下游都缺乏水文測站，下游的河道地形資料往往是在枯水季節測得，與行洪期的地形有相當大的差異，不能把枯水期測量獲得的河道地形當作“穩定的”河道地形，直接用于工程設計，對此廣東省有過沉痛的教訓。對上述水閘下游水位流量關系的確定、泄流量和下游不利水位遭遇選擇等方法問題，未見有規范文件介紹，筆者以往已分別作過介紹，現再綜合建議于下：

1) 如前述，當工程下游有水文站時，應從其實測洪水過程水位流量關系的“繩套”狀的曲線族中，選取已趨向穩定的、部分曲線族的漲水過程下包絡線，作為底流消能設計的下游水位流量關系線。

2) 目前大部軟基河流的河床都仍處在變化過程，即使在河道變化相對穩定期，洪水期與訊前河床的地形是不完全相同的，尤其是臨近河口的河段，我們能獲得的基本上都是枯水期的河道地形資料，盡管按照歷版《水利計算規范》的要求，采用精確的水文或水力學計算方法，可以推導出下游水位流量關系的曲線族，除工作量大、絕大部分工程都無法支付這部分前期工作費外，按洪水期地形修正計算成果的工作量更大，成果未必與計算方法的精度匹配。

3) 建議采用河道變形穩定后的、行洪時的河床地形(尤其要修正河口段)，用恒定流方法推算工程下游水位流量曲線，近似當作“繩套”曲線族的中線；再參考鄰近水文站洪水過程曲線族的、中線與下包絡線的關系(如水深比值)，近似地確定工程洪水過程曲線族的下包絡線，作為底流消能設計的下游水力邊界。

2 海漫段的水力計算

《規范》有關底流消能的水力計算的要求，包括2016版(第5.0.8條)、2001版(第5.0.8條)和1984版(第4.0.5條)，都用幾乎完全相同的文字稱：“底流式消能設計應根據水閘的泄流條件進行水力計算，確定消力池的深度、長度和底板厚度。”這三版規范的 “消力池計算”圖中，都直接把消力池后的水深標示為“出池河床水深”，把海漫的作用、設計內容和對消能計算的影響完全忽略。

消力池是底流消能系統的重要組成部分，但不等于是它的全部，底流消能系統除消力池外，還應包括海漫、防沖槽及彼此間的聯接。2016版《規范》有關消能防沖布置的第4.4.2條和水力設計5.0.8條的內容，只提示了設計人員保證在消力池中能形成水躍，沒有顧及海漫及其上下銜接段的流態。實踐證明，以此指導設計出的大量水閘底流消能工程，不可能是安全的。

圖3 底流消能在出現臨界水躍時的縱剖面示意

圖3為在臨界條件下一個較合理底流消能系統的縱剖面示意。水閘泄流后，先經陡坡把下泄水舌的流速加大，并進入有一定水深的消力池，經消力池內水躍漩滾消能后，水舌厚度增加和流速大幅度地降低。水流從消力池尾較平穩地流入始端表面稍高于消力池底的海漫。海漫疏水的底板及其粗糙的表面可消減出池水流水體內的紊動，將出池水流平面不均勻分布調整到設計所需，將縱向流速垂線分布調至接近對數曲形分布的常態，使出池水流的流場與下游河道的流場平順銜接，基本上達到不沖損海漫和下游河床的目的。由圖3可見，底流消能設計至少包含下述內容：

1) 保證在任何泄流條件時，水躍出現在消力池內或其上游。

2) 消力池末進入海漫始端過程中，水位會有一定的跌落，能量有一定損耗，但不能過度增大2-2斷面和3-3斷面的水位差來抬高消力池的尾水位，這將加大海漫被沖毀的風險和消能壓力。

3) 海漫上水流的流速(特別在始段)不得大于海漫材料的抗沖能力。

可以肯定地說，“對池后(海漫和)河床還可能造成沖刷”的底流消能工程設計，是不成功和不合格的。按第4)點要求，4-4和5-5斷面間各流線垂線的流速矢量大小和 分布應基本相同；按第3)點要求，應復核海漫上水流的流速，保證不會超過海漫材料的抗沖能力。海漫始端斷面3-3與末端斷面4-4斷面間的能量方程為[2]：

(1)

式中:

Δα3——海漫始端斷面動能改正系數與流速按接近對數曲線分市的動能改正系數之差，經海漫粗糙表面調整后會很快歸零;

(2)

式中:

(3)

或：

(4)

若海漫沿程過水斷面有突變時，3-3和4-4斷面間的能量方程應根據斷面變化分段列出。

由式(4)可見，若海漫兩端的流速水頭差等于其間的水頭損失時，兩端水位持平;若海漫始端過水斷面偏小而流速較大時時，其水位有可能低于河道下游水位。此時把海漫始端水位當作躍后斷面的下游河床水位，可能導致實際水躍的淹沒度不足，嚴重者消力池內可能出現遠驅水躍。

水躍后斷面2-2與海漫始端斷面3-3斷面間的能量方程為：

(5)

(6)

由式(6)可見，因海漫始端同時受脈動壓力影響及自身材料抗沖能力限制，其始端流速v3數值應在緩流范圍內。如果用池尾設突檻來提高消力池底板高程，2-2與海漫始端斷面3-3斷面間的落差增大，兩斷面間可能要出現水流撞擊、漩滾、波涌等惡化流態的水力現象，甚至在海漫始端出現二次水躍，通常海漫的結構材料是無法抵御二次水躍沖刷的。有些工程雖然用現澆混凝土或漿砌石來加強海漫始端的防護，若疏水性不足會加大消力池及其上游結構的揚壓力；另若此落差較大，海漫始端的水流流態惡化后，不易在正常設計的海漫范圍內獲得改善，使流出海漫水流仍挾有一定的波涌和紊動，沖刷和破壞海漫和下游河床，這已為大量工程事故證實。

《規范》有關消能防沖布置的第4.4.2條和水力設計5.0.8條的內容，包括現有大量設計參考資，只提示了設計人員應保證在設計的消力池形成淹沒水躍，沒看到有要保證出池水流與海漫始端的流場平順銜接的要求；沒看到有要保證海漫末端與原河道流場平順銜接的要求；沒有看到有要校核海漫各斷面流速，使之不超過海漫結構材料抗沖能力的要求。消能防沖布置的第4.4.2條只推薦用不同突檻來形成消力池，抬高出池水位，置出池尾水流和海漫始端的流場銜接情況置之不顧；亦置海漫上的流態于不顧;按此指導設計出的底流消能系統肯定是不完備的，很可能在工程投產后海漫及下游河床會迅速出現沖刷破壞。圖4為廣東某大型水閘縱剖面示意及其次年破壞后的情況，設計中為減少消力池深度，將海漫始端表面設置在幾乎與原河床相同的標高上，建成后投產次年，海漫始端的水平段全被沖毀。

通過上述分析，建議《規范》增加專章和條文，設計人員應注意：

1) 底流消能的水力計算不能只滿足于消力池內形成水躍，對海漫上的流速及其與上、下游流場的銜接條件復核，也應是必不可缺的內容。

2) 為達基本不沖刷下游的目的，設計人員應盡量保證在設計洪水標準以下泄放各種流量時，出海漫水流的流場與下游河道的流場應平順銜接;即4-4和5-5斷面間過水面積大小基本接近，兩斷面間同一流線的垂線流速矢量分布應基本相同。

3) 由式(6)可見，若海漫始端流速過大，則它與下游河床水位差亦增大;有時為保證海漫兩端流速差不致過大，往往需將海漫始端標高降低，使其表面成如圖3所示的略成反坡狀。圖4所示的，縱向始端底部為水平狀的漿砌石海漫，因設置過高，即使在它與河床聯接段按歷版《規范》的要求加設了1∶10傾向下游的斜坡，海漫始端在建成不久即程沖毀破壞。

a 工程設計縱剖面

4) 若過度提高海漫始端的設置標高，似可減少消力池的工程量，實際上會降低消力池下游水位和加深消力池底的高程，還會惡化海漫上的流態。海漫始端標高不宜隨意設定，它與消力池底標髙應有一個不間斷地“設”和“計”的方案比較過程，最后選定的應為水力條件和工程量雙優方案。

5) 《規范》第4.4.2條提出全部設突檻消力池，相當于利用突檻加大消力池尾的水深，無視海漫及其以后的流態，是不合理的。

6) 《規范》中列出的海漫長度的計算式，基本上是引用南科院根據1955年水工試驗研究會議學術討論文件匯編的《水工建筑物下游消能問題》(第26～27頁)，其應用條件為“消能均已完善，翼墻擴張角也較適宜”。宜在《規范》中補充海漫兩側不會出現回流的水面擴散角控制值；海漫長度應延伸至能與兩岸連接處。

7) 在《規范》中與它所介紹的其他設計計算參數同等精度地，介紹不同海漫結構和材料在不同流態和不同水深條件下的抗沖能力，供設計人員參考。

3 消能水力計算

《規范》第5.0.8條規定：“底流式消能設計應根據水閘的泄流條件進行水力計算，確定消力池的深度、長度和底板厚度等”,這簡單的陳述完全不足以指導水閘完整的消能水力計算。

首先，底流式消能水力設計必須包含上面提及的海漫上水力計算，確定海漫的長度、底部的縱向和橫向的輪廓、選擇海漫的結構材料和厚度，而不能只局限于消力池。筆者曾檢查過如圖4所示的幾宗消能設施出現破壞的工程設計文件，全都缺失這部分極其重要的內容，都在投產后不久，海漫即被沖毀甚至禍及消力池。

其次，底流消能水力計算除選定不利的下游水位流量關系外，還要如《規范》84版的要求，“根據水閘的泄流條件進行水力計算”，即尋找下泄流量與下游水位的最不利組合作為設計的依據。因閘門提升速度遠比洪水上漲速度快，通常要根據水閘初步擬定的開啟程序，用上一序開度末瞬的下游水位，與下一序開度初瞬的流量遭遇，確定泄流量與下游水位最不利的遭遇曲線(如圖5所示)，以此作為海漫和消力池的水力計算的設計依據，取池深和池長最大者為設計值；在某些情況下還需適當調整閘門各序的開度，進行方案比較。

圖5 閘門下泄流量與下游水位遭遇示意

圖6為《規范》采用的消力池計算示意，式(7)～(10)為規范采用的消力池深度計算公式，因其自1984版《規范》印發開始，沿用至2016版一直沒有改變。為提請設計人員和《規范》編制專家注意它存在的幾個概念性錯誤，盡管文獻[4]已作介紹，現再補充分析如下。

圖6 《規范》中消力池計算示意

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：

d——消力池深度，m；

σ0——水躍淹沒系數，可采用σ0=1.05～1.1；

α——水流動能較正系數，可采用1.0～1.05；

q——過閘單寬流量，(m3/s)/m；

b1和b2——消力池首端寬度和末端寬度，m；

T0——由消力池底板頂面起算的總勢能，m；

Δz——出池落差，m；

這里存在幾個問題：

3)T0不單是總勢能，而應為由消力池底板頂面起算的水閘上游總勢能與行近流速的動能之和。

(11)

5) 通常由決定消力池和海漫設計條件的，往往是在閘門控泄中小流量時。建議《規范》補充介紹閘下出流的合理計算方法，以確定式(3)中不同閘門開度的q。《規范》附錄的A.0.3條顯示的是閘下淹沒出流，而不是消能設計所需的閘下自由出流，不能用于消能計算。

6) 流速系數φ選取對第2共軛水深的影響見表2[8]，通常以φ以0.05為一級，由表2可見，若φ值選擇偏小0.5，計算出第二共軛水深可能是合理計算值的92%～89%，常用的水躍淹沒系數1.05～1.10往往不足以抵償φ值的選擇誤差。建議《規范》根據近代研究成果，將各種不同閘門的門型、開度和閘后過流條件φ的合理參考值，補列在條文或附錄內，供設計人員確定收縮斷面水深參考使用。

表2 ξ1～φ～dξ2/dφ關系(ξ1=h1/h2,ξ2=h2/hk)

4 底流消能效果的討論

《規范》2001和2016版用完全相同的文字指出“根據水工模型試驗研究資料，如果下挖式消力池、突檻式消力池或綜合式消力池設計得當，可消殺水流全部動能的40%～70%。其剩余能量對池后河床還可能造成沖刷，且池后單寬流量和流速還比較大，分布也不很均勻，甚至水流紊動還比較嚴重，因此緊接消力池還需設置海漫和防沖糟(防沖墻)”。筆者認為，這兩版《規范》重復引用這個斷語是不合適的，因為 “剩余能量對池后河床還可能造成沖刷”的消能設施，如本文開頭所述，是不合格的。

設某工程閘底以上的水深H=8 m，消力池深3 m,取流速系數φ=0.90，動能改正系數為α=1.1;不同閘門開度泄流，在消力池出現臨界水躍時，計算得消力池的消能率ηj(見表3)。由表3可看出，水閘在泄放單寬流量為15 m2/s時，消力池的消能率ηp不足40%，但第二共軛水深相應的平均流速約為2.5 m/s，消能效果相當好。對消力池而言躍后水流的能量中水深占比重很大，如下游水位不低于2-2斷面水位，只要合理地設計好池尾與海漫始端流場的平順銜接，出池水流絕對不會出現上述斷語描述的：“單寬流量和流速還比較大，分布也不很均勻，甚至水流紊動還比較嚴重” ，“剩余能量對池后河床還可能造成沖刷”的現象。

其次，在《規范》反復地行用此斷語，會造成嚴重的錯覺：即使耗巨資設置的、設計得當的消力池，還會有剩余30%～60%的巨大動能的、“單寬流量和流速還比較大、分布不均勻、紊動較嚴重的水流”，從消力池尾進入海漫再流入下游河道，海漫和下游河道被沖刷是似乎是必然的，底流消能是危險和低效的。然而，建于平原區和濱海區沖積層的水閘包括大型水閘，采用設計得當的底流消能設施，能安全運用幾十年者卻大量存在。建議《規范》上述條文編審者對底流消能工程系統的機理作進一步的分析研究，認真總結現有用底流消能工程成功的經驗。在《規范》中反復提出這種錯誤的斷語，會嚴重地誤導工程技術人員原諒自己的設計失誤;建造出易受破壞的底流消能水閘工程。

表3 水閘不同開度時消力池按臨界水躍計算的消能率

海漫后設防沖槽是必要的，但防沖槽(或防沖墻)絕對不是應對《規范》所述的，防止出池水流沖刷海漫的加固措施，而是應對一旦設計與實際出現脫節，緊接海漫后的河床出現變形和水位降低時，可以防止破壞馬上延及海漫，爭取必需的事故處理時間，根本不是加固和抵御挾30%～60%余能的出池水流對海漫的破壞。

《規范》稱這斷語是 “根據水工模型試驗研究”總結的。可以肯定，這是在不完善或不合理的水工模型試驗研究的得出結論。一些教科書或專業手冊中，介紹池后海漫較高或有較高尾檻的兩種消力池形式(如圖7所示)，它只是用于解析是形成水躍的方法，不宜直接引用于工程設計。圖7a為通過抬高池尾海漫高程壅高消力池尾的水位，以減小池深；但如果出池的水面落差Δz過大，會導致出池水流與下游海漫始端水流仍存在較大的能量差，海漫上水流就會出現如上述條文說明所述的“流速還比較大、分布不均勻、紊動較嚴重”的惡劣流態，海漫必然易受沖毀，圖4是這種不合理沒計及破壞的典型。圖7b所示為用加尾坎來形成消力池，亦僅僅解析了用加尾檻可抬高池內水位，能在消力池內形成淹沒水躍。若真正用于工程設計，沒有顧及到出池水流與下游海漫始端水流仍存在較大的能量差，甚至產生二次水躍，以此指導設計的消力池后海漫上的水流，亦必然會如上述條文說明所述的“流速還比較大、分布不均勻、紊動較嚴重”的惡劣流態，海漫必然易受沖毀。

a 抬高池尾型消力池

《規范》第4.4.2條只介紹用突檻抬高池內水位，完全不顧其后海漫的承受能力，沒顧及海漫是否會出現惡劣的流態，以此指導消能設計顯然是不合適的。