基于低佛汝德数分析法的水闸底流消能防冲措施分析

谷 明

（惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司，广东 惠州 516003）

当前水闸的底流消能防冲设施主要包含消力池、海漫以及防冲槽等几种类型，倘若因水位下降导致消力池无法达到消能充分的效果，将极有可能使水流出池流速增大而冲击位于护坦后方位置的海漫与防冲槽，因此务必要着重加强对于消能防冲技术的把控，提高消能防冲设施的稳定性，从而保障护坦与闸室的安全。

1 基于低佛汝德数分析水闸底流消能对水流流态的影响

1.1 低佛汝德数与底流消能的作用机制

佛汝德数主要用以表示流体惯性力与重力之间的比值，与惯性力之间成正比、与重力作用之间成反比，其计算公式为：

其中当Fr≤4.5 时，水流即产生低佛汝德数水跃现象，水闸底流消能不充分；当4.5＜Fr≤9 时，即发生充分水跃，水闸底流消能充分；当Fr＞9 时即产生强水跃，此时水流处于不稳定状态，产生较大的波浪。而在水跃段中水流速度较快，水流相互摩擦释放出较大的能量，将会对河床、周边建筑物等产生较大的冲刷力，因此务必要强化对消能措施的设计，真正确保水跃现象在消力池中充分发生，使水流摩擦所产生的大部分能量在水跃段得到充分释放，余下能量也会被防冲设施、护坦继续耗散，从而良好地规避对河床、河岸造成过度冲刷[1]。

1.2 水闸底流消能充分的表现

以消力池作为观察对象，当发生在消力池中的水跃现象较为强烈，水流在池内呈现出倒流、横流、摩擦等现象，且回流明显、旋转区域不稳定时，既可以判断出水闸消能较为充分。同时还可以借助水工模型消能防冲试验进行测试，在消力池内撒入一定量的漂浮物，倘若观察到漂浮物在池内不停旋转、即将流出消力池时又被水跃带回等现象时，既可以证明其消能较为充分。

1.3 水闸底流消能不充分的影响

基于低佛汝德数判断水跃呈现出波浪特征，垂线位置处水流不稳定、底部流速明显较大，即可判断水流所产生的冲刷作用较强；当观察水跃段发现其水流漩滚幅度较弱、形成颤动水跃时，即可判断消力池所产生的消能作用较弱，未能实现能量的充分耗散；当观察跃首段发现水流在底部与水面处呈现出上下流动状态，且整体水跃位置摆动形成行进波时，也可判断消能效果不佳；当观察水跃后端发现存在紊动能、下游波动较大，对于海漫、防冲槽造成了较大的冲击时，即可判断其能量较大，会对下游的防冲设施造成严重影响。

2 案例分析

2.1 工程概况

该水闸位于我国南部某省，主要建筑物级别为三级，共设有28 孔，总净宽与挡水宽度分别为336 m 和412 m。工程建设的目标是消除水闸隐患、保障行洪安全。水闸枢纽下游为感潮河段，闸基底板处自上而下分别为中粗砂、淤泥质砂、软粘土、杂卵石等复杂地层结构[2]。

针对该水闸进行水工断面模型试验，水闸左右两岸各设有两孔，单孔净宽为12 m，闸底板堰顶高程为2.9 m，一级消力池底高程为0.8 m、深度为2 m，二级消力池底高程为-2.2 m、深1.5 m，闸底末端与一级消力池的坡度比为1∶4.5。设水闸上游蓄水位保持在6.3 m 的正常数值，闸门开度e=0.25 m、0.5 m、1.0 m、1.75 m，其消力池泄流量与流速值见表1。其中一级消力池内形成不完整水跃，二级消力池中水垫厚度未达标准，消能不充分。

表1 消力池泄流量与流速值

2.2 辅助消能工措施

2.2.1 设置消能尾坎

基于低佛汝德数理念，当发现水跃呈现出底部流速过大的特点时，即可在水跃区进行连续尾坎的布设，利用其反击功能降低共轭水深。需要注意的是，应当针对坎高与位置进行着重设计，倘若坎高设计得过低将无法起到降低共轭水深的作用，而设计得过高甚至还会引发二次水跃现象，因此需利用公式选取合理的坎高参数：

同时需针对尾坎与跛脚之间的距离进行详细设计，其距离越近所产生的反击效果越强，有助于更好地发挥降低共轭水深的作用，但距离过近也极易形成二次水跃，破坏水流流态的平稳状态，不利于控制水跃。其距离公式为：

2.2.2 设置消力前墩

消力前墩具有较强的反击作用，将其设置在消力池前段可以有效抑制底部流速过快的问题，降低共轭水深。其中差动式消力前墩可以更好地消除水流能量冲击，在此需针对前墩与坡脚间的距离进行控制，其公式为：

在完成消能尾坎与消力前墩的设置后，共轭水深可以得到显著降低，消力池的效率明显提高，发挥了较好的消能防护作用。但还需注意以上两种设施主要为消能防冲提供辅助作用，在使用前还需确保针对消力池进行完善设计。

2.3 采用不护底消力池技术

根据该工程所处的地质条件、水文状况，拟采用下挖式消力池进行消能设施的重新设计，借助1∶4 斜坡面将消力池与闸底板相连，排水试验确定消力池的尺寸大小。通过选取三组典型工况进行水力计算的数值模拟，分别选取中间闸门、左右闸门、三个闸门同时开启等三种闸门开启方式，其流量分别为7.25 m3/s、4.23 m3/s、1.19 m3/s，上下游水位分别设为 2 3.4 m 和19.8 m。拟采用静水压力进行三种工况下的压力条件设计，通过计算三者的主流方向水深可以发现，当下泄水流与尾坎碰撞后，即会在消力池内部发生充分水跃，在靠近尾坎位置产生回流、流向下游，而三种工况下水跃与消力池之间的距离分别为6.4 m、4.4 m 和0.7 m，第一种工况下水面线雍高达到了最大值2.3 m，第三种工况下达到了最小值1.4 m。同时，海漫段水流流态稳定，向下游产生的波动较小，由此可证实采用不护底消力池技术设计后的消力池具有较高的消能率，消能效果明显[3]。

2.4 加固消能防冲设施

依据《水闸设计规范》与水工模型试验进行消能防冲设计，试验结果表明当上游处于正常水位、下游为最低水位、闸门开启高度为0.2 m 时，跃后水深与下游水深之间的差值最大；同时当闸门开启高度由2 m 转变为2.5 m 时，跃后水深与跃前水深的差值最大。针对此种现象采取一定的防护措施。

（1）可以将原有消力池拆除，采用一级池设计方案与混凝土结构重建消力池，在结构、孔数等方面保持原有规格参数，将消力池先启孔与后启孔处的长度分别设置为36 m、31 m，将两部分水平段的顶高程分别降至-4 m 和-3.5 m，利用1∶4 斜坡段将其与闸底板相连，并在先、后启孔消力池中间设置顶高程为-1 m 的隔墙，以此消除回流影响。

（2）可以采用二级消力池型式进行设计，将第一级、第二级消力池的长度分别设为23 m 和22.5 m, 底部顶高程分别为-3.5 m 和-4.5 m，采用1∶4 斜坡进行衔接，同样也在先、后启孔消力池中间设置顶高程为-1 m 的隔墙，削弱回流影响。

这两种方案设计均可以确保在消力池内部发生水跃现象，发挥良好的消能作用。此外还可以在消力池中加设消力槛，对水流流态进行调节，进一步提高消能率。

3 结论

消能设施与防冲设施之间处于互相依存、互为支撑的关系，运用消能防冲技术能够使水流动能与波状水跃得到有效消除，避免剩余能量冲刷闸室、河床与河岸。同时，还应当着重加强河道管理工作，针对采砂作业予以严格管控，依据水位下降情况选取有效的措施加固消能防冲设施，更好地保障水闸安全。