砂性土地基水闸防冲结构改进设计

韩士标

（安徽省水利水电勘测设计院，230088，合肥）

一、水闸消能防冲设计情况

消能防冲设施关乎水闸的安全，也是水闸设计的重点。平原地区的水闸一般水头不高，多采用底流消能的方式。挖深式消力池采用钢筋混凝土结构，其后海漫分浆砌石和干砌段，干砌石为斜坡式，纵向坡比不陡于1∶10，海漫末端设抛石防冲槽，其开挖边坡不陡于1∶2，末端以缓坡与下游河道相连。对海漫、防冲槽及其下游连接段两岸边坡进行防护。

对于粉土、粉砂、细砂、砂壤土、轻粉质壤土等地基的水闸，其抗冲刷能力较差，易被冲毁，常规设计远不能满足安全要求，需改进防冲结构设计。

二、问题的提出

2003年和2007年汛期，淮河流域先后发生了两次流域性特大洪水，沿淮工农业生产和水利工程损失惨重。汛后检查发现，部分水闸在海漫末端出现冲毁现象，有的甚至已向上游延伸，危及工程安全。主要涉及粉土、粉砂、极细砂、细砂、轻粉质壤土、砂壤土等抗冲刷能力弱的地基。

从冲毁部位的分布看，近岸侧较为普遍，且比较严重，可能与边界水流有关。河道内冲坑位置是随机的，且形状不规则，与抛石和海漫末端的衔接有关，局部存在砂层裸露区。另外在防冲槽后冲坑也较为常见，应加强防护。

因此，必须分析水闸在恶劣放水条件下下游流态和地基土的特性，找出破坏机理，以完善工程设计。

三、险情分析

1.泄流冲刷过程

在开闸泄水时，下游水位较低，甚至无水，上下游水位差最大，且闸孔宽度一般都小于上下游河道宽度，出闸水流具有很大的动能，冲刷能力较强。在经过消力池后消除了大部分（约40%～70%）的能量，但还有较大余能，且分布不均，仍具有冲刷能力，要靠海漫段和防冲槽降低余能，平顺地进入下游河道。

随着泄量的加大，下游水位不断抬高，上下游水位差减小，水流冲刷能力逐渐减弱。另外，河床的抗冲能力随水深的增加而增强。也就是说开闸泄流初期冲刷能力最强。

大流量泄洪时，上下游水位差小，过闸水流在下游形成波状水跃，消能效果不佳，水流余能大，冲刷能力也较强。

2.水力分析

闸下游常规的防冲布置见图1。恶劣放水条件时，经过消力池的消能，海漫和防冲槽部位的水流流态基本上属缓流。在防冲槽附近形成紊动旋滚水流区域，由于防冲槽中的抛石不规则，局部有大的空隙，海漫末端与防冲槽衔接处也存在薄弱环节，河床细小颗粒被吸升到主流区内而挟向下游或散落附近，随后又有坑底淘刷泥沙继续向坡前补充，进而形成冲刷破坏。

受岸坡或与下游衔接等边界突变及护砌坡面摩擦等边界影响，在近岸形成螺旋状摇滚前进的紊动水流强度增大，加大了冲刷能力。

闸下游的冲刷受调度运行方式的影响较大，不对称集中开启闸门、闸门开启速度过快等往往是下游冲刷破坏的外在因素。

3.破坏原因及对策

由以上分析可知，水闸下游冲刷破坏的主要原因有：消能防冲设计不合理；施工质量差，砌石通缝多，河床局部裸露，存在薄弱环节；调度运用不合理，长时间不对称开闸，产生折冲水流，淘刷河床与岸坡；泄流的单宽流量大，而土壤的抗冲刷能力低等。

对粉土、粉砂、细砂、砂壤土、轻粉质壤土地基的水闸必须改进下游防冲设计，在海漫末端与防冲槽衔接处采取封闭措施，不留裸露区，即海漫末端设垂直防冲墙，防冲槽底部和上游的坡面采取护砌，下设垫层。海漫干砌石斜坡段及其岸坡下部增设中粗砂反滤层和土工布，以增强反滤与排水，提高地基的稳定性。

另外，要加强调度运行管理，对称开闸，缓慢提升闸门，避免折冲水流的产生。

四、改进设计

闸下游防冲结构改进后见图2。

1.防冲墙设计

防冲墙一般应采用刚性墙体，主要有混凝土墙、混凝土桩墙、钢板桩墙以及水泥土墙等形式。由于多头小直径水泥土墙、高压喷射水泥墙的造价相对较低，较为常用，防冲墙的工程量一般不大，为了方便施工，其墙体形式常常与闸基的截渗墙相一致。

防冲墙的深度可为按规范计算的冲刷深度，垂直水流向的长度一般应超出防冲槽的长度而深入两岸。墙体必须是连续的，其厚度应确保具有一定的刚度，水泥土墙的厚度一般不小于0.25m。

防冲墙的施工不得扰动地基。

2.防冲槽防护设计

防冲槽底部及上游坡采用干砌石护砌，砌石厚0.3m，下设碎石垫层，厚0.1m。防冲槽末端与下游河道以不陡于1∶7的坡度平顺连接，坡面设抛石防护，抛石厚0.6～0.8m。为减小水流紊动，防冲槽及以后的防护段顶部不宜波动较大。

3.海漫及两岸防护

在海漫干砌石斜坡段及其岸坡和防冲槽以及其以后的过渡段对应的岸坡护砌下部增设中粗砂反滤层（厚0.1～0.2 m）和土工布一道。

4.非工程措施

加强水闸的调度运行管理，严格按照规程操作开闸和闭门，控制闸门的提升速度，对称开闸，避免形成折冲水流。

五、工程应用实例及效果

近几年兴建的安徽省淮北市王引河上的侯王节制闸（中型）、利辛县西淝河上的阚疃南闸（中型）及浍河上的宿州市蕲县闸〔大（2）型〕均采用此种模式改进下游防冲设计。

新建的侯王节制闸20年一遇设计泄洪流量为602 m3/s，采用开敞式闸室，共7孔，单孔净宽8.0 m。闸基为细砂，为提高抗冲能力，对防冲结构改进了设计，即海漫末端及防冲槽底设垂直水流向高压喷射水泥直墙两道，深分别为6.0 m和3.5 m，长度分别为70.0 m和60.0 m，孔距1.6 m，墙厚0.3 m。防冲槽底及上游坡采用干砌石护砌，厚0.3m，碎石垫层厚0.1m。防冲槽末端与下游河道地面以1:8的坡度平顺连接，坡面设抛石防护，抛石厚0.6～0.8 m。海漫砌石斜坡段及防冲段两岸砂层出露处的下部增设中粗砂反滤层和土工布。该闸于2011年年底竣工并投入运行。

2012年汛期，受台风的影响，淮北地区多次遇特大暴雨的袭击，有两次最大降雨量均超过了150 mm，侯王闸多次开闸泄洪。汛后检查发现，下游海漫及防冲槽状况良好。

蕲县闸20年一遇设计排洪流量1 380m3/s，共 12孔，单孔净宽 8.0 m。闸基为轻粉质壤土，海漫末端防冲墙采用高压摆喷水泥单墙，其防冲布置同图2，该工程现已开工建设。

[1]毛昶熙，段祥宝，毛佩郁，等.堤防渗流与防冲 [M].北京:中国水利水电出版社，2003.

[2] 水闸设计规范（SL 265—2001）[S].北京：中国水利水电出版社，2001.

[3]张世儒，夏维城.水闸 （第二版）[M].北京：水利电力出版社，1993.