对水闸设计问题的补充讨论之一——水闸平面布置与过流能力计算

茹建辉

(广东省水利厅，广州 510635)

1 水闸消能的目的

底流消能是水闸最常见的消能方式。水闸底流消能设施如同工业系统的一个处理器，把上游需下泄的、具有较高位能的水量，经消能设施处理后，流出的单位水体能量基本与下游河道天然状态下单位水体的能量相等，不会对河槽产生意外冲刷，能平稳地进入下游河道，这是水闸消能设计的唯一目的。若消能设施达不到这个目标，说明此消能设计是不彻底的；若下游两岸受冲刷后须增加意外赔偿，说明这个设计是不合格的。

2 水闸消能设施与下游河道流场的衔接

《水闸设计规范》(SL 265—2016)(以下简称为《规范》)第5.0.1条有关水闸水力设计内容的规定，与1984版《规范》和2001版《规范》完全相同，即包括：闸孔总净宽计算、消能防冲计算和闸门控制运用方式的拟定。这3项的要求是完全正确和必要的。笔者建议：保证“闸后水流的流场与下游天然河道流场基本平顺衔接设计”也应是水闸水力设计必不可少的重要内容。从近几十年水闸工程的经验和教训来看，不注意这两个流场平顺衔接设计，无论新建的还是改建的水闸，尽管进行过闸孔总净宽计算、消能防冲计算和闸门控制运用方式的拟定，相当大部分水闸往往一旦建成运用，即出现海漫破坏或下游两岸被冲损毁。因而，工程的水力设计必须首先考虑工程平面布置，使消能设施后的流场能与下游河道流场平顺衔接。

图1是1984版《规范》颁发后广东省某大型低水头水闸的一个案例，原设计考虑采用设置20孔单孔宽为10 m的水闸方案(闸孔总宽与河道宽度比约为0.87)，后为节省工程量，在认为已满足《规范》水力设计3项要求后，将闸孔减为11孔，集中在右侧，左侧改为溢流坝(平面布置见图1b)，工程于1990年初建成。由于工程布置迫使过闸流量绝大部分集中在右侧，下游的主槽很快地从左岸移至右岸，同年6月已发现水闸第7～11孔的海漫被冲毁，其中崩塌部分已发展到第8孔消力池后部，海漫末端塌陷后最低点高程约为-3.0 m。水闸在开敞泄放中等流量时，上游来水在闸上游左侧发生强烈的收缩，左侧两个闸孔的过流很小，过闸水流偏右集中，形成较窄的带状折冲水流，一直延伸到海漫下游远端。右岸下游的大堤原来堤前有较宽滩地，自1993年起已有长700 m变成险段，部分断面崩塌线已逐渐越过堤顶中部，大堤被迫后移退建并在堤前专设防冲设施；左岸溢流坝下游的消力池和水闸尽管已用导墙分隔，但强烈的回流仍使其下游海漫受损。图1c为建成10 a后其上下游破坏情况，由该图可见，即使每年在闸后都抛块石或石笼抢护，闸后河床局部冲深仍在-10 m以下。此工程事例笔者在10多年前已详细介绍过[1]，该工程事故案例并不罕见，很多工程的这类问题多年以来一直未能得到妥善处理。为使这些惨痛教训引起水闸设计人员足够重视和上级专家注意，不得已一再提出，祈望今后的《规范》能在广泛收集和总结已发生过的工程事故教训和经验的基础上，引导设计人员认真做好“在设计洪水标准以下泄放各种流量时，闸后水流流场与原河道流场平顺衔接” 的设计工作。

a 水闸改建前地形

3 闸孔总宽占河道宽度合理比例的讨论

《规范》和前两版本一样，在条文说明中都要求闸室总宽度大体上与上、下游河道宽度(即通过设计流量的过水宽度)相适应，这完全合理。若减小闸室总宽，虽然可以减少闸室的工作量，但为引导闸后水流扩散，使之与下游流场平顺衔接的工作量会增大，且其布置和效果难以通过水力学计算确定，未必是合理方案。从《规范》推荐的闸室总宽度与河道宽度的经验比值0.6～0.85中套选，随意性较大，很难达到技术经济合理。笔者认为应把方便闸后水流与下游河床水流平顺衔接作为确定闸室总宽度的重要依据之一，这是水闸初步设计中枢纽平面布置的重要内容。闸孔宽度主要取决于通过设计洪水的过流条件，建议：

1) 对下游两岸都有堤围约束、没有滩地的平原河道，宜尽量使闸室总宽基本与原河槽相同，如广东省流溪河上的多个梯级水闸。

2) 对两岸有较宽过水滩地的河道，受上、下游水位差不能超过0.1～0.3 m的限制，水闸总宽须大于河槽。宜先用漫滩水力学方法(不能用滩槽垂直分割法，分析下游河道通过设计流量时主槽流量[2-3]，闸室总宽应使通过设计流量时，在主槽的中部闸孔闸后的过流量与下游河槽的过流量接近；其余两边闸孔则泄放相应于下游两岸滩地的过流量，再经海漫的调整，使流出海漫水流的流场与下游基本能平顺街接，水闸下游两侧的导流墙则使部分过闸后水流顺利地向两侧滩地扩散。

若闸孔总宽小于主槽，不仅有可能增加上、下游水位差，海漫调整闸后流场的工作量亦随之增大，其效果往往无法用常规水力学计算预测，需作更深入的模型分析研究和技术经济比较。

4 关于过流能力的合理计算

在绝大多数情况下，确定水闸规模的过流情况是高淹没度出流，因而确定过流能力首先推荐的计算方法应是淹没出流，即应首推《规范》中直接由能量方程导出的式(A.0.2)。遗憾的是2016版《规范》仍维持2001版和1984版的意见，首推堰流公式 (A.0.1)。因其计算过程较繁冗且未必合理，精度亦未必高，为有助于设计人员了解堰流公式 (A.0.1)的来由，现将其推导过程介绍如下[4]。

设有如图2的自由出流宽顶堰，由上游与堰顶断面间的能量方程，得：

图2 自由出流宽顶堰示意

(1)

式中：

H0——从堰顶起算的上游水头；

B0——过水宽度；

β——堰顶收缩断面的水平压力与堰顶水深h的比值；

αe——动能改正系数；

ξ——过堰进口的水头损失系数。

(2)

(3)

这就是常见的非淹没出流的计算式。当下游水位升高，影响过流能力时， 式(3)右边需乘上不大于1的淹没系数σ，式(3)变成：

(4)

这就是常见堰的淹没出流计算式，得过水宽度:

(5)

显然，这就是《规范》中的式(A.0.1-1)。

随着下游水位升高，侧向影响效应减小，侧收缩系数ε应趋近1.0；同样随着下游水位升高，淹没系数亦在变小。但《规范》推荐的侧向收缩系ε计算式(A.0.1-1)～(A.0.1-5)是用水闸进口平面形状计算出的、不随淹没度变化的固定值，显然与实际不符。

在如图3所示淹没出流条件下，直接用堰的上、下游断面列出能量方程，此时β≈1，用hs近似代替h，过堰的流速系数φs代替φ，得：

图3 淹没出流宽顶堰示意

(6)

显然，式(6)较简单，只有一个综合参数φs，即为《规范》式(A.0.2-2)中的μ0。

当hs/H0=0.9～1.0时，属高淹没状态，计算过流能力时唯一的参数μ0=0.938～1.0，计算的精度明显可以有效控制。

比较式(4)和(6)得：

(7)

由式(7)可见，淹没系数σ不仅是淹没度hs/H0的函数，还与堰型有关，即与φs、ε和流量系数m都有密切关系。《规范》中式(A.0.1-6)反映σ仅是淹没度hs/H0的函数是不合理的，从它拟合的原始资料的文献[6]可见，σ与hs/H0的关系较散乱，同一hs/H0值对应的σ值相差较大。以高良涧进水闸为例，当hs/H0=0.975时，σ变化范围约为0.37～0.57；hs/H0=0.93时，σ变化范围约为0.66～0.76。

从上面分析可见，式(A.0.1)亦来自能量方程，但在计算高淹没度时，由于采用了不随水位变化而变化且计算繁冗的侧向收缩系数，采用了由不同工程试验点综合的、误差较大的淹没系数，用它计算的成果误差会较大。考虑计算水闸过流能力时多属高淹没度状态，建议设计人员改用附录(A.0.2)计算高淹没度状态下堰闸的过流能力，即改用附录(A.0.2)为首推公式。

《规范》附录A.0.3条文称：“对平底闸，当为孔流时，闸孔总净宽可按公式(A.0.3-1)～公式(A.0.3-4)计算，计算示意图见图A.0.3。”这些计算式与2001版和1984版《规范》完全相同，是属于闸 (胸墙)下淹没出流。水闸可以设置胸墙来减小闸门的高度，但通常要求工程通过设计洪水流量时，上、下游水位差不能明显增加，即不能大于0.1～0.3 m，这是长期以来水利工程允许水位对上游周边环境影响的上限(在工程断面处称为工程对天然洪水可忽略影响的极限)。《规范》图A.0.3所示的胸墙下孔口髙度太小，令闸孔通过设计洪水流量时，墙后出现水跃漩滚、孔口为急流的淹没出流。在此流态情况下，水闸上、下游水位差可能会超过《规范》不得大于 “0.1～0.3 m”的规定，不仅增大工程量，淹没赔偿亦会增加，不是合理的闸孔设置方案，显然所列出的式子也不是设置胸墙闸孔过流能力的有效计算方法。如果是用于由闸门控制的、通过非设计洪水条件的闸下出流计算，则孔口的上方为闸门下缘，为防止振动，闸门下缘应为锐缘，闸门向上游的仰角应不小于60°，向下游的仰角则不应小于30°，闸门底缘一般不会做成图4所示的圆弧形。

图4 《规范》闸下淹没出流纵剖面示意

合理设置的胸墙，闸孔口的流速一般应小于临界流速。若以he表示孔口的高度，Δz为上下游水位差，φ为计及过闸孔水头损失的流速系数，此时闸孔净宽可简单地按下式计算：

(8)

5 结语

水闸是水利工程中常见的泄水建筑物，结合工程经验和教训，可以得到以下结论：

1) 水闸工程整体布置不当造成的后果，要比局部结构设计失误大得多，在水闸工程进行枢纽布置设计时，必须把枢纽下游流场能平顺衔接作为重要的设计原则。

2) 曾被普遍选用的“闸坝结合”的水闸布置方式，表面上看似乎节省了工程量，实际上后患极其严重且较难补救，设计中不宜采用。

3) 对下游两岸都有堤围约束、没有滩地的平原河道，宜尽量使闸室总宽基本与原河槽相同；对两岸有较宽过水滩地的河道，受上、下游水位差不能超过0.1～0.3 m的限制，水闸总宽须大于河槽。

4) 考虑计算水闸过流能力时多属高淹没度状态，建议设计人员采用《规范》附录(A.0.2)计算高淹没度状态下堰闸的过流能力。