水闸消能防冲优化设计

于军涛

(开封市汴龙勘察设计中心，河南 开封475000)

1 工程背景

某水闸位于我国南部城市，其主要建筑物为三级，挡水宽度和总净宽分别为450 m和335 m，水闸运行过程中主要担负着泄洪蓄水、保证河道行洪安全的重要作用。水闸枢纽下游段主要为感潮河段，闸基底板处地质条件由上而下分别为中粗砂、淤泥质砂、粘土和杂卵砾石。水闸过流动能较大，为避免下游河道造成冲刷破坏，甚至影响水闸、消力池和护坦运行安全，必须在消能防冲设计的基础上采取恰当措施。为进行水闸消能防冲设计，文章主要进行了水工断面模型试验分析，闸门开度分别按照0.25 m、0.50 m、0.75 m、1.00 m、1.25 m、1.50 m设计。

2 水闸消能防冲优化设计

2.1 消能方式的选择

水闸消能防冲方式包括面流消能、挑流消能和底流消能等。面流消能主要借助设置在溢流堰末端的跌坎，将溢流堰顶下泄的水流导流至下游水流表面，并使其在跌坎周围水流和河床间形成翻滚之势以消耗部分能量，对于下游水深大、变幅小的情况较为适用；挑流消能主要通过挑流鼻坎将水流挑起并抛至空中，并利用空气势能及下游水垫达到消能的目的，且对下游地质条件有较高要求；底流消能即利用设置在泄流建筑物下游的消力池、消力坎等辅助性水工建筑物，使水流发生水跃后通过其内部摩擦、撞击、掺气等过程达到能量消耗的目的，且对于大流量、低水头较为适用。该水闸因上游水头低，下游水位随潮位表现出明显变化，且其河床主要为抗冲刷能力较低的砂基，所以采用底流消能措施。在消能方式确定的基础上，必须根据水闸调度原则进行其消能防冲设计。

2.2 消能防冲优化设计

2.2.1 水闸消能防冲设计原则

结合水闸运行实际，上下游水位、泄洪方式及过闸流量等均复杂多变，所以，水闸下游消能防冲设计必须在充分考虑可能的水力条件下满足水流均匀扩散和动能消散的目的。

首先，出闸水流因具有较大流速和强烈的紊动，必须进行下游消能处理。平原地区水闸通常水头较低，且河道土质抗冲能力小，下游水位变化大，故通常采用底流消能设计；其次，下游所设置的消力池等消能水工设施必须在可能的工况下满足水跃共轭水深方面的要求，并应充分重视过闸水流在下游所形成水跃对河道的冲刷，采取必要措施；最后，加强水闸闸门控制运用，若控制运用不当，则必将产生集中性水流、折冲水流等不良流态，引发水工建筑物冲刷破坏。

根据水闸上游正常蓄水位，当水闸内水位在正常蓄水位以下时，水闸闸门关闭挡水，并维持高水位；而当水闸内水位比正常蓄水位及闸外水位高时，应逐步开闸泄水，确保水闸安全；当水闸内水位低于闸外水位时，应关闭闸门挡潮。

2.2.2 分区消能设计

该水闸泄水分区及下游消力池设置存在以下两种方案：

方案一：水闸泄水不分区，且按常规方式进行消能防冲计算。按照每档0.25 m的高度进行闸门启闭分档，在上游来水的工况下随着来水量的增大逐步开启水闸，最后达到设计开度泄流。

方案二：水闸分三区泄水。8#～20#中间孔设置为Ⅱ区先启孔，1#～7#和21#～28#两侧孔分别设置为Ⅰ区和Ⅲ区后启孔。在上游来水工况下，闸门中间孔优先开启，随着来水量的增大，两侧边孔开启至0.25m的第一开度，若来水继续增大，则应将两侧边孔开度增大至1.50 m，并待泄流达到稳定状态后将两侧边孔开至1.00 m运行。如此循环处理，直至全部泄水孔在流量2 000 m3/s以下时均开启至2.50 m运行。最后当流量增大至2 000 m3/s以上时，应将所有闸门全部开启泄流。水闸闸门调度安排具体见表1。

表1 水闸闸门调度安排表

3 消能防冲计算

针对以上所提出的两种闸门控制运用方式分别进行消能防冲计算。

3.1 泄流能力及上游壅高校核

水闸单孔净宽14.00 m，闸槛高程-1.00 m，按照水闸设计规范进行拦河闸泄洪能力和水位壅高的计算，计算结果详见表2，根据表中结果可以看出，该水闸在不同频率洪峰流量宣泄的过程中，上游水位壅高均低于0.30 m，满足规范相关规定，也表明拦河闸方案合理。

表2 拦河闸泄洪能力和水位壅高的计算结果表

3.2 闸下水流衔接及消能防冲

该水闸工程不同频率洪水宣泄的过程中，水闸应处于闸门全开状态，闸门上下游水位差均在0.30 m范围内，且水流呈现出从缓流平顺过渡至缓流的流态，无需进行消能处理。但在最不利工况下单宽流量和闸门上下游水位差均增大，并伴随出现出闸水流能量最大的情况。所以泄流时必须针对具体工况进行消能防冲控制尺寸的确定。根据闸门下游河床高度进行消力池尾坎高程确定，以最不利工况下历年水位最低值作为消能下游的初始水位，并以低一级闸门开度泄流后下游水位稳定值进行各级闸门开度消能计算。底板厚度、消力池尺寸、海漫长度等按照规范所规定公式进行计算，结果如下：

底板厚度、消力池尺寸、海漫长度等参数的控制并不属于同一工况，必须针对不同工况进行消能防冲具体尺寸的确定。本文所提出的分区消能设计方案一全部泄水孔所对应的消力池最大深度为0.93 m，长度13.85 m，底板厚0.61 m，海漫长度最大值32.35 m。方案二中间Ⅱ区先启孔消力池深度最大值为0.93 m、长度为13.05 m，底板厚0.60 m，海漫长32.35 m；两侧Ⅰ区和Ⅲ区后启孔无须设置消力池，护坦段最大长度13.40 m，底板厚0.60 m，海漫长32.35 m。以水闸泄流过程中产生水跃的单宽流量最大值为消力池长度设计流量，当来水量增大至设计流量后应开启后启孔泄流，并适当减小消力池尺寸和海漫长度。

当下游水位处于较低工况时，应严格按照设计开度和启闭次序控制闸门运行，以防止因泄流流态不稳而引发折冲水流，导致水闸建筑物冲刷受损。

4 消能防冲方案选择

从开挖、混凝土及钢筋工程量，消力池深、消力池底板厚、消力池水平段长及总投资等角度进行该水闸两种消能防冲方案的比较，具体见表3。通过比较结果可以看出，方案二由于在闸孔不增设消力池而只设置护坦，所以挡墙工程量和地基开挖量少，所以在施工工期和投资等方面具有显著优势。而且其分区启闭设计能在上下游水位差较大时及时开闸泄流，减少对河床两岸的冲刷破坏。

表3 水闸消能防冲方案的比选表

虽然方案二闸门设计复杂，但是闸门控制运用得当，能有效避免集中水流及折冲水流等不良流态对水工建筑物的冲刷破坏，泄洪及消能防冲效果好，所以选择方案二闸门控制方式。

5 结论

综上所述，水闸消能防冲设计中必须充分考虑单宽流量、泄流方式及水位差等水力条件，并应通过水闸调度方式的选择保持水闸分区设计和水闸调度的协调性。水闸消能防冲设计方面控制工况并非为流量较大的设计洪水或校核洪水，而应当根据水闸调度实际对多种工况进行复核计算，保证消能防冲设计的合理性。运行结果表明，该水闸泄水分区设置及闸门控制方式的选择对于消除过闸水流具有的较大动能，保证出闸水流和下游河道流态顺利衔接具有积极作用。