平原地区砂性土地基水闸下游河道冲刷问题研究

（宿迁市水务勘测设计研究有限公司 宿迁 223800）

1 引言

水流经过水闸流向下游时，因具有较大的上下游水位差，同时闸孔宽度一般都小于上下游河道宽，使过闸流量比较集中，单宽流量加大。因此过闸水流具有较大的动能，若不能采取适当的消能防冲措施，势必冲刷下游河道，甚至危及水闸的安全。

根据规范要求，水闸下游的消能防冲设施包括消力池、海漫、防冲槽等，而且在规范中都给出了计算的相关公式，设计人员通过计算确定各设施的结构尺寸，考虑到过程运行过程中的不确定因素，通常最终取值都会留有余地。但是某平原区水闸在建成并运行一段时间后，发现下游防冲槽后的护坡有不同程度的损坏，消能设施经过复核都是满足规范要求的。针对该工程的情况，本文做了相关研究。

2 基本情况

平原区某水闸设计排涝流量80m3/s，设计校核流量100m3/s。 该闸采用平底板开敞式结构型式，闸孔为3孔，单孔净宽8.00m；下游消力池深0.8m，池长15m，海漫长40m。

闸上游护坡及护底、下游护坡、海漫均为C20混凝土护砌，厚度为0.2m，下设0.1m砂石混合垫层（砂∶石=1∶1），混凝土护坡护底均设置冒水孔，冒水孔间排距均为1m，梅花形布置。为减少水流对下游的冲刷，改善下游水流条件，在下游混凝土护底的上端12m范围内设置5排C25钢筋混凝土消能墩，排距为2m，梅花形布置。

该工程下游河底宽50m，河底高程0.00m，河坡坡比1∶3。设计排涝标准20年一遇，设计防洪标准50年一遇。

3 下游河道冲刷情况

该闸在运行约半年以后，管理单位在河道巡查时，发现下游防冲槽后河道护坡出现不同程度的塌陷、格埂断裂、护坡下滑等现象。经现场勘查，护坡损坏部位位于下游防冲槽后两岸护坡的下部，下滑的护坡顺水流方向长约10m，沿河坡方向宽约5m。另外下游两岸的河道联锁块护坡均有长度约100m的坍陷段。塌陷部位河坡底脚外存在顺河向冲坑，深度1～2m。

4 设计工况复核

在发现下游护坡损坏后，设计单位对水闸相关设计工况进行了复核，结果如下：

4.1 消能复核

该水闸正常蓄水位为4.1m，相应下游水位为3.1m。设计排涝流量80m3/s，设计校核流量100m3/s。水闸的消能选取上游设计排涝水位4.3m、下游河道水位0.5m作为初始水位，闸门逐级开启进行计算，复核消力池及海漫尺寸。复核结果为：（1）计算值：消力池长度11.2m，消力池深度0.3m，海漫长度23m。（2）设计取用值：消力池长度15m，消力池深度0.8m，海漫长度40m。

因此，该水闸的消力池深度和长度、海漫长度尺寸均满足规范要求。

4.2 下游河道断面复核

4.2.1 河道不冲流速计算

根据岩土工程勘察报告，该水闸下游河底土层为第③层轻粉质砂壤土（Q4ml），工程地质特征为：灰黄色～浅灰色，夹有粉砂，局部地段夹有粉质粘土，干强度中等，中等压缩性，水平层理发育，摇震反应一般，土质不均匀，分布不稳定。

该层土颗粒分析结果：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%。选取下游河道不同水深（0.1～3.1m）计算不冲流速，计算的允许不冲流速下限值在0.278～0.829m/s，上限值在 0.371～1.106m/s。

4.2.2 河道断面复核

该工程下游河底宽50m，河底高程0.00m，河坡坡比1∶3，对该水闸下游河道按照设计20年一遇排涝和50年一遇行洪工况进行复核。复核结果为：①20年一遇工况下，下游河道允许不冲流速为0.728～1.201m/s，实际海漫及下游河道流速为0.312～0.719m/s。②50年一遇工况下，下游河道允许不冲流速为0.778～1.244m/s，实际海漫及下游河道流速为0.345～0.717m/s。即在20年一遇排涝校核和50年一遇行洪工况条件下，下游河道流速均小于河道允许不冲流速。

因此，该工程消能及河道断面均满足有关规范和工程正常使用的要求。

5 护坡损坏原因分析

5.1 河道土质及不冲流速分析

根据计算结果，下游河道不冲流速约为0.278～1.106 m/s，河道的轻粉质砂壤土在下游水位偏低时启动流速很小，若出现下游无水，则启动流速更低。

水闸下游水流可根据流速分为3段：水闸海漫段、衔接段、水流稳定段。其中水闸海漫段流速根据闸门开启后的瞬时流量计算，安全开启高度为保证水跃发生在消力池内部的控制值；水流稳定段流速根据明渠均匀流计算；衔接段的流速介于前面两者之间，属于流速渐变区。

水闸海漫段流速计算成果：在闸门安全开启度为0.092～0.813m情况下，闸后海漫段单宽流量为0.5～4.5m3/s，总流量为12～108m3/s，相应海漫段水深为0.19～1.93m，海漫段对应流速为1.235～1.002m/s。

在同样的闸门开启度和流量工况下，水流稳定段流速计算成果：下游河道水深为0.1～3.1m，河道设计流量为0.432～140.493m3/s，水流稳定段对应流速为0.086～0.764m/s。

由上述计算结果可知，水闸海漫段的水流流速均较大，接近河道不冲流速的上限值，会引起河道冲刷，但该段有消能防冲措施；水流稳定段的流速均小于不冲流速的下限值，基本不会引起冲刷；而衔接段的流速位于水闸海漫段和水流稳定段之间，且无防冲措施，因此在下游低水位情况下，该段的冲刷是不可避免的。

目前省内及国内对海漫下游河道衔接段冲刷的研究基本属于空白，影响的区域范围也无法明确界定，只能通过实践不断积累经验，为其他工程提供一些参考。

这在《水闸设计规范》的相关条文变化中也有所体现：

在SL265-2001版中，5.0.7条：水闸闸下消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下，都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且应与下游河道有良好的连接。

在SL265-2016版中，5.0.7条：水闸闸下消能防冲设施应满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且应与下游河道有良好的衔接。挡潮闸闸下消能设计还应以控制运行条件下可能出现的最不利潮位作为消能计算条件。当闸下河道土质抗冲能力较差时，应加强闸下一定范围内的抗冲防护措施。当下游无水或闸下水深远小于跃后水深无法采用底流式消能时，可对闸下一定范围进行围封防护。

对比两版规范可知，2016版中增加了“当闸下河道土质抗冲能力较差时，应加强闸下一定范围内的抗冲防护措施”，这也是多年的工程经验积累成果。

5.2 水闸运行调度分析

工程开工后，为保证水闸的安全调度运行，设计单位编制了水闸闸门开启运行控制方案。该方案结合各水闸所在河道土质情况进行计算，明确了建筑物闸门的调度运行控制的“闸门安全开启高度—流量关系曲线”和“安全开启运行参数曲线”，并说明了曲线查询使用方法：（1）下游河道有水时，根据上下游水位在曲线上查询安全泄流流量和闸门安全开启高度；（2）下游河道无水时，应将闸门依次开启0.10m高度，待下游河道水位不断升高并过流稳定时，再按下游河道有水情况进行闸门控制，逐级开启运行。

以上两种情况闸门开启运行时，应由中间孔向两侧依次对称开启，由两侧向中间孔依次对称关闭。

《水闸设计规范》（SL265-2016）条文说明5.0.7：水闸控制运用除了控制上游水位，上、下游水位差外，还必须控制单宽流量，多数水闸冲刷破坏都是由于运行调度不当造成。

若水闸运行过程中，闸门开启操作未按照控制方案操作，则下游会出现河道冲刷。

5.3 总结

综上所述，该水闸防冲槽下游衔接段河道冲刷的原因为：河道土质为轻粉质砂壤土，不冲流速很小，是最主要的客观原因；水闸闸门开启操作可能存在不规范行为，也是造成冲刷的原因之一。

6 处理措施

在发现下游护坡损坏后，建设与管理单位组织设计、施工和监理单位共同研究商讨，确定了修复加固方案，具体如下：（1）拆除重建防冲槽后损坏的混凝土护坡，坡脚处增做纵向抛石防冲槽；（2）拆除水闸下游损坏的连锁块护坡，采用膜袋混凝土对边坡和坡脚进行护砌；（3）对防冲槽下游河底冲坑及坡面进行抛石或混凝土块回填。

按照以上方案加固处理后至今约两年，工程运行良好，下游消能设施未再出现损坏情况。

7 结论与讨论

水闸下游的消能防冲设施在工程中的重要性毋庸置疑，相关的设计规范中的设计原则和要求肯定是正确的。但水利工程的一个主要特点就是差异性，所处的地理位置、地形地貌、水文条件、地质条件及功能要求等因素的不同造就了水利工程这一特性。因此在水利工程设计中，在严格执行规范要求的基础上，要结合实际情况，分析所有工程条件，因地制宜地选择设计方案。本文水闸所处的河道土质为砂性土，极易冲刷，因此在设计中可适当扩大下游防护范围，在一定程度上减少下游河道冲刷