湖南省山区河道水闸消能防冲安全评价初探

蒋买勇

（湖南水利水电职业技术学院 长沙市 410131）

山区河道的主要功能是行洪和灌溉。山区河道具有源短流急、水位暴涨暴落、洪峰流量大、历时短、流速大、破坏性强等特点[1]。山区河道水闸主要任务是调节水位、控制流量和汛期排泄洪水。山区河道水闸的基础大多位于深厚覆盖层上，而山区河道单宽流量大、水头低、弗劳德数低，闸下消能率低，大量能量被水流携带到下游后，由于下游河床本身的抗冲能力差，因此消能防冲往往成为影响水闸结构安全的关键问题[2]。

湖南省的水闸大多位于山区，且大多建成于20世纪70～80年代，已运行30～40年，根据SL 214-98《水闸安全鉴定规定》要求，水闸投入运用后每隔15～20年，应进行一次全面安全鉴定，因此绝大多数水闸需要展开全面安全鉴定[3]，由于山区河道水闸的工作特点，山区河道水闸全面安全评价的关键在于消能防冲的安全评价。本文以工程实例说明山区河道水闸消能防冲安全评价及其加固建议。

1 工程实例

1.1 工程概况

邵阳县渣滩水闸属于山区水闸，洪水设计标准为50年一遇，校核标准为200年一遇，消能防冲工程设计标准为100年一遇。该水闸工程的建设，虽按基建程序办理，但由于左的指导思想干扰，存在“边设计、边施工、边投产”的三边工程现象。

该工程拦河闸位于河床中部，设15孔溢流闸坝，实用堰型，最大堰高6.7 m，平均堰高5 m，堰顶为宽10 m，高7.3 m的弧形钢质闸门控制7 m水位，堰顶高程225 m（黄海标高），设计正常控制水位为232.0 m，下游正常枯水位为220.0 m。

原设计 1#、2#、6#～15#水闸下游设挑流鼻坎，鼻坎高程222.50 m，小流量下为挑流消能，大流量为面流消能，鼻坎挑射角 10°，挑流半径 R=6 m，10#～15#水闸下游护坦长 60 m，宽 32 m，墙高 3.5 m；3#、4#、5#水闸采用底流消能，下游设消力池，池长34 m，池宽32 m，池深2.5 m，消力池底部为埋石混凝土，上部为C20混凝土。

该水闸经过30余年的运行，过闸水流对下游消能设施造成严重冲刷破坏：消力池完全冲毁；护坦基础冲烂，钢筋裸露；坝前冲刷形成深水潭；下游左右岸护坡冲垮。

1.2 运行方式和流态分析

该水闸正常水位运行时，先开启4#闸门，再开启3#、5#闸门，当再开1个闸门，即共开启4扇闸门时，由堰流流量计算式计算下泄流量相应的下游水位为225.26 m，超过堰顶0.26 m，超过鼻坎2.76 m。可见，1#、2#、6#～15#水闸已无法产生挑流，为面流消能。面流流态比较复杂，在一定跌坎型式，它随下游尾水条件而变化；在一定流量和跌坎尺寸条件下，随下游水深的不同，其流态变化及界限水深也不同。面流只在某一水深范围内发生，大多为回复底流，底部流速较大，造成其下游护坦冲刷严重。

根据以上分析，本次计算将对采用底流消能的3#、4#、5#水闸下游消力池和采用面流消能的 1#、2#、6#～15#水闸进行消能防冲复核。

1.3 复核计算

1.3.1 底流消能防冲复核计算

根据《水闸设计规范》（SL 265-2001）中的消能防冲公式计算跃前水深、跃后水深，并判别水跃方式，计算消力池长度、深度。复核原则为：如现状消能工尺寸不满足消能要求，则底流消能的消能工不满足安全要求。验算消力池长度、深度结果分别详见表1、表2。

表1 消力池长度计算成果表

表2 消力池深度计算成果表

1.3.2 面流消能防冲复核计算

面流流态水深界限值的计算采用《水力计算手册》（第二版）介绍的经验公式。复核原则为：若下游水深ht小于计算的第一临界水深上限值 为底流流态；若下游水深ht大于计算的第五临界水深上限值为回复底流。以上两种情况均为底部流速较大的非面流流态，则面流消能的消能工不满足安全要求。验算水闸下游界限水深的计算结果详见表3。

表3 水闸下游界限水深计算成果表

1.4 结 论

由表1可见，在计算工况1～4下，计算消力池长度均大于原设计的34m，因此原设计采用底流消能的3#、4#、5#水闸下游消力池不能满足消能防冲要求，且目前消力池已被完全冲毁；由表3可见，1#、2#、6#～15#水闸下游，除计算工况1下为面流流态，其余工况2～4下为底部流速大的回复底流流态，且所设下游护坦偏短、被冲毁。因此，整个水闸的消能防冲不满足安全要求。目前，该水闸采用连续鼻坎下设护坦和消力池底流消能，经过30多年的运行，消力池挡水墙完全冲毁，护坦和消力池基础冲烂，钢筋裸露，并形成面积和深度较大的冲坑，下游两岸护坡完全冲垮。

2 消能防冲加固建议

湖南省山区河道水闸大多建于20世纪70～80年代，已运行 30～40年，由于种种原因，山区河道水闸现有消能工不能满足，其加固建议主要有：

（1）改造泄洪闸溢流坝结构合理设计消能设施型式，真正起到消能作用。

（2）按照规范要求设计消能设施尺寸，使其消能工满足安全要求。

（3）采用纤维混凝土[4]面层重建闸底板及消力池底板，以减少施工期温度裂缝和运行后的磨损程度。

（4）抛石防冲槽等薄弱部位应用石笼网[5]和抛石混凝土[6]等新材料，以提高结构抗冲能力。

3 结 语

本文结合邵阳县渣滩水闸消能防冲安全评价，简要介绍了山区河道水闸消能防冲安全评价的基本内容和方法，依据消能设施现状和运行方式，通过不同工况条件下的消能防冲计算分析，根据计算结果得出安全评价结论，并提出初步加固建议。根据水利部的要求，当前，正在全国范围内进行水闸的安全鉴定和设计工作。湖南的水闸大多位于山区河道，消能防冲安全评价是其安全鉴定的重要内容之一，为保证水闸安全鉴定和设计工作的顺利进行，应重视消能防冲的计算。本文介绍的山区河道水闸消能防冲安全评价方法可供同行在进行相关工作时参考。

1 赖勇,施林祥,郑旭明.山区河道生态防洪堤关键问题及对策[J].中国农村水利水电，2011(9)：142-144．

2 赖勇,黄荣卫,张永进.浙江省山区水利枢纽工程水闸消能防冲新技术[J].水利水电科技进展,2012（5）:78-80.

3 水利部水利建设与管理总站.水闸安全鉴定技术指南[M].郑州：黄河水利出版社，2009，2:5-10.

4 朱冠美，杨松玲.三峡工程聚丙烯纤维混凝土的试验研究[J].人民长江，2002，33(10):39-41．

5 陈忠兰，古宝和.生态格网在河道整治工程中的应用[J].上海水务,2007(2):28-30．

6 王学森.抛石混凝土的性能改进[J].混凝土,2003(3):63-64.