水闸底流消能防冲关键技术研究

李　倩，石自堂，汪洹湛

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

水闸的底流消能防冲设施通常是采用消力池、海漫、防冲槽。消力池紧接闸室，促使出闸水流在池内产生水跃，以消除水流的动能，保护河床、河岸免受冲刷。其后的海漫进一步消除水流剩余的动能，调整水流的流速分布。海漫末端常设防冲槽，以防海漫下游河床冲刷而影响海漫的安全。

水闸底流式消能的效率与闸孔出流处的佛汝德数Fr密切相关，Fr愈大，消能效率愈高；Fr愈小，则消能效率愈低。

(1)国外学者从20世纪50年代开始对低佛汝德数水跃的消能进行研究，寻求合适的消能方式来解决低佛氏数消能的不足。美国垦务局推荐了USBR-Ⅳ型和USBR-Ⅲ型消力池，前者由趾墩和连续性尾槛组成，可消除水面波浪，池长与自由水跃基本相等，没有缩短消力池长度，后者在前者的基础上，在池中布置了一排消力墩，加大池中水流掺混，可使池长缩短为水跃长度的40%左右；1948年Blaisdell推荐了SAF型消力池，通过趾墩、消力墩和连续性尾槛的组合来增加消能，其应用于美国中小型水利工程，可缩短池长70%以上；1969年印度标准研究所建议采用ISI型消力池，池内采用梳流墩、消力墩和差动式尾槛组合，可有效提高消能效率，并消减水面波浪，池长可缩短30%。

(2)在国内也进行了大量的研究，主要从4个方面的措施来减小低佛氏数水闸消能的危害：①辅助消能工。消力墩、消力坎等布置在消力池段的辅助消能措施，主要是通过将水流挑起，使底部较大流速的水流挑起至水部上层，增加消力池中水跃的漩滚和掺混程度，加大水流能量的耗散，来缩短池长、提高消能效率。②多级消力池。当水流流出消力池后，仍具有较大动能，在下游河床允许的情况下，可布置二级消力池，使之发生二次水跃，进一步消能。③改变出口条件。通过改变消能工末端水流出口条件，如扩散、收缩、碰撞来增加消能效果，其代表消能方式有扩散式消力池和对冲式消力池等新型消能工。④改变消力池入口条件。其代表消能方案是宽尾墩联合消能工，增加水流的横向收缩和竖向扩散，二元水流变三元，增加水流的掺气和紊动，增加能量消耗。同时，可以通过几种消能方式的组合、传统消能方式与辅助消能工的巧妙组合，可以获得更好更有效率的消能效果。

1　问题的提出

当一些水闸采取底流消能时，通常采用《水闸设计规范》进行消力池的设计，其消能效果往往不如预期理想，消力池内无法形成充分的完全水跃，消能不足，从而使其后的防冲结构和河床出现一系列冲刷问题。尽管现有研究成果不乏有一些解决手段，但当前大多数工程仍处于在先出现问题然后再解决问题的阶段，而不是预防问题发生。其根本在于没有从本质上了解水闸底流消能消能率低、消能不充分的原因。在《水闸设计规范》中也未提到有关水闸低佛氏数消能的情形，而将消力池的设计方法进行了统一，这样使得设计出的部分消力池不满足消能要求。

此外，水闸下游受水流冲刷的影响，特别是有些河道采砂，引起下游河道水位的下降，改变了水闸消能防冲的当初设计条件，当水位下降变幅较大时，如果没认识到对水闸危害，不采取新的措施、办法，消能防冲设施会继续遭受破坏。

2　低佛汝德数消能问题

佛汝德数，被定义为：

(1)

表征流体惯性力与重力的比值，Fr值越小，重力作用影响越大，惯性力影响越小。研究表明，当4.59时，发生强水跃，水流不稳定，波浪较大；当Fr≤4.5时，水流发生低佛氏数水跃，水跃不完整，消能作用不充分，消能率低。稳定水跃的水跃段，水流湍急，流速快、能量大，对水跃段建筑物或河床的冲刷十分严重，因此水闸需要设置合适的消力池，使水跃发生在池内，且发生充分，水流流出消力池时，平缓地与下游水流相衔接。此时水跃段已耗散掉大部分能量，其后的护坦段和防冲措施继续耗散水流能量，因而不会对河床及下游河岸造成过度冲刷。

2.1　水闸消能充分的水流流态的特征

根据我们相关的水力学水工模型试验和调查的一些水闸的消能防冲资料，发现水闸消能充分的水流流态除了水跃段水流漩滚、水体质点间发生强烈的紊动和掺混作用，水体中存在着涡体等，还具有下列看得见或感觉到的水流流态特征：

(1)消力池内存在明显的回流且区域不稳定。消力池内水跃强烈跃起后在池内翻滚，表层水流有倒流、横流、顺流等杂乱无章的状态外，同时水流在池内相互挤压、摩擦，可以明显看到一至几个回流区不停旋转，且旋转区域不停在移动、变换。

(2)消力池内表层漂浮物很难漂出池外。在现实当中经常会看到一些人在消力池内游泳，偶尔听到有个别人游不出来的消息。我们在做新疆提孜拉那甫河红卫渠首的水力学水工模型消能防冲试验时，特地在消力池内撒下一些纸屑、泡沫等漂浮物，结果发现大部分漂浮物被水流带到下游，但有少数漂浮物还漂浮在池内水面不停在旋转，当即将被水流带出池的时候又被水跃带回来，此流态不停地在池内重复，因此也印证了水闸泄水时在消力池游泳是很危险的。

2.2　消能不充分的水流特征和危害

低佛汝德数水跃具有较强的波浪特征，水流极不稳定；垂线上流速不均，底部流速大，冲刷作用强；水跃段水流漩滚发展不充分，幅度小而弱，甚至形成颤动水跃，耗散的能量少，消能率较低，消力池消能作用小；跃首从底部到水面的水流做不规则的周期性上下摆动，水跃整体位置也会做周期性前后摆动，形成“行进波”；水流跃后段所携能量较大，带有大量紊动能，对海漫、防冲槽等冲击较大，且下游波动加剧，波动范围加大，需要相当长一段距离，能量才能耗散，给下游防冲带来了较大问题。

以湖北某水闸工程为例，该水闸是一座以灌溉为主，兼有防洪、供水和发电的挡水建筑物，属中型Ⅲ等工程，由拦河闸、右岸冲沙闸和三级电站组成。取拦河闸为研究对象，5孔闸孔，净宽45 m，设计流量881 m3/s，底板高程27.3 m，当灌溉或发电时控制上游水位32.37 m。有消力池深1.6 m，池长36.0 m。水闸泄水消力池内看不见水闸消能充分的水流流态的明显特征。运行一段时间后，海漫冲毁，消能防冲结构已无法正常运行。后找原因，计算跃前断面的佛汝德数Fr为2.21，水闸泄水时水跃消能率极低，而该闸只采取常规的水闸消能防冲措施。

2.3　低佛汝德数消能不充分的对策

现有的研究成果分析表明，解决低佛汝德数消能不充分的措施是在传统消力池的基础上增加辅助消能工。笔者根据调查、资料以及分析水闸低佛氏数水跃消能中消能率低的本质原因，总结了两种操作性强的辅助消能工措施。

(1)消能尾坎。针对低佛汝德数水跃底部流速大，冲刷作用强的特点，在水跃区内设置连续尾坎，该坎具有强烈的反击作用，可使发生水跃所需要的共轭水深降低，其效果比设置水跃末端的池坎效果显著。对共轭水深的影响，取决于坎高及设置位置。

单从降低共轭水深来讲，坎高越高，效果越好，但过高将在坎后出现二次水跃，过低则不起多大作用，合理的坎高可按下式选取：

(2)

坎距坡脚越近，其反击作用越强，降低共轭水深的效果越好，但距坡脚太近，易于形成二次水跃，流态不稳定，反而失去控制水跃的能力。坎距坡脚的距离l：

l=(0.6～0.7)l0

(3)

式中：l为坎距坡脚的距离；l0为临界水跃长度。

消力池中消能尾坎的布置如图1所示。

图1　消力池中消能坎布置示意图

x0=(0.2～0.3)l0

(4)

作为辅助消能工措施，消能尾坎与消力前墩都可以起到降低消力池深度、减小消力池长度的作用，但毕竟是辅助作用，对于低佛汝德数消能，首先还是进行常规消力池设计，在此基础上再额外增加辅助消能工。

3　河道下游水位下降对消能防冲的影响

(1)下游水位对消力池深的影响。消力池的计算公式为：

(5)

图2　水闸消力池池深计算简图

设计消力池时是考虑最不利组合确定消力池的深度和长度，但设计时很少考虑下游水位下降的问题。近些年来，由于河道采砂致使所在河道水位下降，有些河道水位(与同时期或同流量相比)下降1～3 m，特别是水闸下游下降1～3 m，那就意味着ht减小了1～3 m，如果要重新复核消力池的深度，可能有些水闸的ht是负值，意味着要达到消能效果，消力池的深度要额外增加水位下降的深度。而当河道下游水位下降时，原有水闸消能型式以及消力池尺寸是不会变化的，消力池中原来的淹没式水跃就会变成远驱式水跃，水跃将会被推向水闸下游，水跃可能发生在海漫段。当水位严重下降导致消力池不能消能时，水跃更不稳定，且海漫段不足以承受水跃段高速高能量水流的冲刷，很容易造成海漫段的结构破坏和下游的过度冲刷。

以武汉市某工程左侧泄水闸工程为例，该泄水闸闸孔宽度9 m，过闸流量108 m3/s，上游水位为26 m，下游河道水位为23 m。经计算，该水闸跃前断面佛氏数为2.723，为低佛氏数水跃消能。先按常规设计的消力池为挖深式消力池，其深度 4.01 m，长度 33.2 m。根据低佛氏数的增加辅助消能工的手段，在消力池内增设了1.5 m高的消能尾坎和连续实体尾槛来增加水跃段漩滚程度，解决了工程消能问题，工程运行10年正常。此后的一些年由于采砂严重，造成下游水位不断下降，枯水位时即使高程不挡水，上下落差也超过3 m，水闸消能防冲出现新问题。

(2)护坦、海漫的构造。由于消力池内水流非常紊乱，护坦不仅承受自重、水重、扬压力、脉动压力，而且还有水流的冲击力，受力条件较为复杂，护坦材料必须具有抗冲耐磨性，一般采用混凝土或加筋混凝土，其厚度不宜小于0.5 m。为了适应沉降、减小渗透压力，还对护坦进行了分缝，设置了反滤层和排水孔等。

以前建造的水闸海漫多采用浆砌石和干砌石，也有后面建造或进行加固采用混凝土、铅丝笼等，以消除水流余能、满足地基变形与透水要求，使出消力池水流更好地扩散,但其抗冲流速只有2～6 m/s。

(3)消能防冲设施之间是“唇亡齿寒”的关系为了保证水闸的正常运用，防止河床冲刷，一方面尽可能消除水流的动能，消除波状水跃，并促使水流横向扩散，防止折冲水流的出现；另一方面要保护河床及河岸，防止剩余动能引起的冲刷。这两方面的措施，首先考虑的应是消能，其次是防冲。

如果水位下降造成消力池起不到消能的作用或消能不充分，那么出池流速很大，直接冲击护坦后面的海漫和防冲槽，时间一长，海漫或防冲槽发生破坏，如不及时修补，很快冲刷或淘刷底部的地基，危及护坦的安全，因此，护坦与海漫、防冲槽之间是“唇亡齿寒”的关系。

(4)河道水位下降危及水闸安全的对策。首先是加强河道管理，控制或取缔采砂，让河道逐渐恢复原状；其次采取工程措施，如果是水位降幅不大，可以通过增加消力池尾槛高度，来提高相对水深；也可以在消力池中增加辅助消能措施，将底部流速大的水流挑起，减小底部冲刷，同时使得消力池中水流的紊动和掺混更加剧烈，消耗更多能量。如果是水位降幅较大，应在下游修建抬高下游水位的小坝，或在护坦后面再建多级消力池。在防冲措施中，可以在原海漫上进行加固，加大海漫段的长度和厚度，加大糙率，增大海漫段坡度与下游河床平顺连接，确保消能防冲设施结构安全稳定。

4　结　语

(1)大量的研究成果表明，底流式消能的效率与闸孔出流处的佛汝德数Fr密切相关，Fr愈大，消能效率愈高；Fr愈小，则消能效率愈低。因此进行消力池的设计时，首先要复核计算闸孔出流处的佛汝德数Fr，当4.5

(2)河道水位下降势必造成水闸消力池起不到消能的作用或消能不充分，首先应积极控制或取缔采砂，让河道水位不再下降；其次还要采取工程措施，根据水位下降情况，加固或加强消能防冲设施。

(3)消能防冲设施的各自的功能、作用是不相同的，应以消能为主，充分消能才能保障整体设施的安全，消能与防冲彼此之间是“唇亡齿寒”的关系。

□

参考文献：

[1]周玉香，翟召华，季新民，等.低Fr数消能规律研究[J].山东大学学报，2015,(4).

[2]苏联芸，张明文，王秀芬，等.低佛氏数水跃消能理论在水闸设计中的应用[J].黑龙江水利科技，1996,(4).

[3]钟碧中.影响水闸消力池设计因素分析[J].内蒙古水利，2012,(6).

[4]花立峰.辅助消能工的水力特性及在闸下低佛氏数水跃消能中的应用[J].水利水电工程设计，2009，28(1).