水利工程除险加固水闸消能防冲措施研究

陈卫东

(广东华迪工程管理有限公司，广东 广州 510000)

1 工程概况

某河道所修建的水闸为多孔水闸，孔位数量为16个，宽度均为4 m，闸顶高度与闸室宽度分别为19.5 m和81.0 m，利用消力池对泄流进行消能处理。在水闸工程应用过程中，工程单位对其下游翼墙底部、下游齿坎、斜坡段以及消力池底板等多个部位进行了除险加固处理。然而，工程单位加固下游翼墙后，水闸泄流期间产生了主流集中、水流流速提升、河床冲刷情况愈发严重的问题，急需通过水力学模型对水流流态变化与下游翼墙加固之间的关联性进行分析，探寻改善消能防冲设施功能效果的具体措施[1]。

2 研究方法

2.1 模型创建

本文基于重力相似准则进行模型创建工作，将几何正态、阻力相似纳入模型建设体系之中，按照1∶40的比例尺进行设计。其中，模型类型包括防冲槽以及分顶层下游局部动床模型，模型沙的选型依据参考现场防冲槽下游河床的泥沙颗粒级配勘测数据，确保模型中泥沙流速情况与现场情况相近，最终选取1.1 mm粒径的黑点木粉作为模型沙材料。针对水流流速、流态监测工作要求，选择设置四组测量断面进行监测，布置情况详见图1，防冲槽末端与图中D02断面相对应。

图1 闸下流速断面布置

为满足水位测量要求，选型应用±0.1 mm精度的测针进行测量，利用±2.5 cm/s精度的旋浆式传感器检测流速，检测数据汇集于水工模拟测控系统中，便于工作人员对测量结果进行实时确认[2-3]。闸下河水冲刷形成的坑洞深度需利用水准测量法，按照±0.5 mm的精度标准进行测量，测量时间为缓慢停水之后。

2.2 试验参数

为实现对水闸消能防冲情况的有效测试，模型试验期间需要选择水流流量、水位、水流结构等具有代表性的参数进行测试，结合现场情况设置了四种不同的工况，相关数据参数详见表1。

表1 水力学模型试验参数

3 基于水力学模型试验的消能防冲措施分析

3.1 试验结果分析

3.1.1 水流流速与流态特性分析

水力学模型试验结果表明，在两侧翼墙加固体的作用下，消力池中的两侧闸孔泄流不会产生水跃，主流处于水体表面斜向通过消力池尾端，最终产生能够挤压出闸水流的回流区，详见图2，主流宽度在消力池尾端最终达到50 m左右，等同于10组闸孔的宽度。泄流河水从消力池涌出后，其主流主要分布于河道中部，流动期间产生不确定的左右摆动情况，而朝左侧摆动的可能性相对更高，两侧均具有分布范围较大的回流区。断面检测结果表明，水流流速呈不均匀分布的状态，工况1时D02断面的最大流速为3.75 m/s，工况2时的流速为3.07 m/s，工况3时的流速为1.21 m/s，工况4时的流速为1.62 m/s。

图2 闸下水流流态及流速分布

3.1.2 水流冲刷特性分析

为验证定床模型时水深、水流垂向流速等因素带来的影响，按照表1所述工况1与工况4中水位、流量标准进行模拟试验，测试河床冲刷的具体情况。模型试验结果指出，工况1的水位较深、流量相对较高，导致通过消力池进入防冲槽处的水流流速依然呈现出较高的数值，导致水闸下游的河床承受较强的水流冲刷影响，不仅冲刷范围大，而且防冲槽后方河床受水流冲刷形成的坑洞深度可达9.4 m，最深处高程达到了-3.4 m。工况4的水位浅且流量小，防冲槽后的水流不会对闸下河床产生强烈的冲刷作用，冲刷的范围小且深度仅3.05 m左右，坑洞最深部位的高程仅2.93 m。

3.1.3 闸下河床冲刷情况分析

结合除险加固水闸布置示意图可以确认，加固体布设范围为闸室水平段末端后续的翼墙底部区域，其顶部高程等于闸底高程，顶宽等于2/3闸孔宽度，加固体高度呈渐变状态，消力池末端高度为2.5 m，闸底末端为0 m，消力池后续部位高度始终维持在2.5 m状态。在加固体的作用下，水闸泄流中2/3的水流被加固体阻隔，这部分水流开始朝着中部斜向流动，导致主流在消力池内集中，防冲槽以及下游河床所承受的水流冲刷作用因此加强，最终形成大范围的河床冲刷坑洞问题。

3.2 消能防冲改进措施试验对比与选择

对于除险加固水闸加固体布设后引发的主流集中、回流、斜向流动、流速分布不均等情况，工程单位可以结合现场情况对消能防冲设施的结构尺寸进行优化，实现对两侧回流区的有效抑制，将下游河道水流流速控制得更加均匀，避免河床受到严重的冲刷作用，相关优化方案详见图3，主要包括调整消力池尾坎高度、增设消力池辅助设施、改变尾坎布置结构等方式调节泄流状态和流速。

图3 各比较方案体型

在工况2水位与过闸流量的标准下试验不同方案的效果，通过对比各方案中水流流速均匀性和流态参数的方式选取适宜的消能防冲改进措施。结果表明，第1种至第3种方案无法有效改善消力池内水流的流态，但消力池下游的流态改善效果良好；第4种方案有效改善了水闸下游各部位的水流流态，实现了对斜流流态问题的有效抑制，有效规避了主流集中以及偏流问题，各断面监测的流速分布状态也较为均匀。

在方案选择过程中，工程单位需要综合考虑河岸与河床受冲刷程度、流速分布均匀性、水闸下游各部位水流流态以及施工结构难易程度等多方面的因素，对比上述试验结果可以发现，第1种方案对于水闸下游消力池中的水流流态无法起到良好的调控效果，仅将下游水流流速的均匀性进行了一定程度的改善，实现了对断面垂线平均流速以及回流流速的有效控制，但依然无法起到有效改善河岸、河床防冲效果的作用；第2种与第3种方案对于水闸下游消力池中的水流流态无法起到良好的调控效果，但是对断面垂线流速降低以及水流流速均匀性等方面具有显著的改善作用，能够降低河床的受冲刷程度，只是流出消能防冲设施的水流在近岸区域依然保持较高的速度，导致岸脚受到严重的冲刷影响；第4种方案利用分隔墩应对加固体布设后引发的斜向水流，能够有效改善斜流流态、回流区问题，使得消力池及其下游水流维持了较为良好的流态，不再产生主流集中、偏流等问题，降低了D02断面垂线流速和近岸流速，也均化了断面流速分布状态，实现了对岸脚、河床等区域水流冲刷问题的有效缓解。此外，分隔墩结构相对简单，能够以更短的时间、成本实现对现有消能防冲设施的优化。

3.3 消能防冲措施试验验证

为了确保除险加固水闸消能防冲设施功能的有效发挥，本文针对第4种方案的适用情况进行了详细的试验验证与分析，测试了不同水位、流量工况时的消能防冲效果。在消能防冲措施实施过程中，工程单位将分隔墩装设于闸墩后方的斜坡以及水平段。在流速分布均匀性以及流态特性方面，分隔墩隔离了两侧闸孔与相邻闸孔，在工况1、工况2、工况3、工况4不同水位和流量参数作用下，均为发生回流、主流集中、两侧水流斜向流动等问题；消力池下游未形成回流区域，水流流态温度且扩散情况良好；各断面流速分布的均匀性以及最大垂向流速数值也得到有效改善。在冲刷特性方面，基于工况1与工况4的参数对消能防冲措施的应用效果进行试验。结果表明，闸下河道断面流速以更均匀的状态分布，主流集中问题得以消除，最终形成的河床冲刷范围小且程度低，岸脚也未出现冲刷情况，工况1的冲刷深度由改进前的9.40 m降低至3.24 m，工况2的冲刷深度由改进前的3.05 m降低至2.73 m。

4 结 语

综上所述，除险加固水闸工程中往往容易因处理措施不当对消能防冲效果造成负面影响，引发严重的河床、岸边冲刷等问题。工程单位施工过程中，对翼墙、闸墩等区域的加固处理措施导致水闸下游的水流出现主流集中、回流、偏流、流速分布不均等问题，通过加装分隔墩的方式能够实现对水流流态、流速特性以及冲刷问题的有效调控，满足水闸下游的消能防冲需求。