山区河流覆盖层低闸急流衔接消能分析

王剑 嵇红刚 刘洋

【摘 要】山区河流低闸首部枢纽，由于河道纵坡陡，洪峰陡涨陡落，推移质量大，斜坡护坦急流衔接消能形式得到越来越广泛的运用。在《水闸设计规范》中对急流衔接只有简短的规定，本文结合工程经验，对急流衔接的本质及设计主要事项进行分析和探讨，为设计人员提供必要的帮助。

【关键词】山区河流；低闸；急流衔接

1.急流衔接消能特性分析

1.1山区河流特性

山区河流水库一般属于河谷型水库，窄深型河槽。山区河流剖面陡峭，一般趋势上陡下缓，水面综合比降比较大。山区河流坡面陡峭，径流系数大，汇流时间短，洪水猛涨陡落是山区河流的重要特点。

河流洪枯流量一般比较悬殊，洪水流量往往为枯水流量的100或数百倍。河流枯水期山区河流悬移质含沙量小，来砂量主要集中在汛期几次洪峰。河流的特性决定了消能形式的合理选用。

1.2急流衔接适合山区河流原因分析

从山区河流特征可知，一般山区河流砂峰随洪峰出现，闸坝由于调节固体径流的需要，汛期一般会采用敞泄方式冲砂，大量的推移质会冲向下游，表现为在洪水作用下，速度快、量大、时间集中。

闸坝有调节固体径流的要求，常规消能方式一般只有消力池可选。消力池虽然消能效率比较高，下游冲刷相对较弱，但造价高，在推移质作用下，易出现磨损、消能工损坏加快、淤积等情况，增加运行中消能工修复频率，从经济、运行成本和效率上并不合算。

急流衔接消能效率不如消力池，但目前修建的山区的闸坝，一般来说处于深山峡谷，下游没有重要的防护对象，下游两岸及河床出现一定的冲刷，并不足以造成实质性的损害，但可以减少消能工修复频率，造价较消力池低，则采用急流衔接是合理的。

1.3 急流衔接中可能出现的流态

消能时，出现的下游衔接形式和下游水深有密切关系。对于山区河流而言，下游水位变化非常剧烈，在泄流过程中，由于下游水位不断变化，下游实际会出现急流衔接、远驱水跃、完全水跃、淹没水跃等多种形式，水跃的位置也会随下游水位在护坦首部、护坦段及下游冲刷坑内变化出现。

1.4 急流衔接消能本质

从以上分析可知，急流衔接是一个比较笼统的概念，并非泄流中所有过程都是急流衔接状态。

通过分析、工程实际运行及水工模型试验，从急流衔接消能的本质而言，虽然在护坦内出现的水跃可消杀部分能量，但其能量大部分依靠在护坦末端冲刷坑的的旋滚等作用消杀，剩余的能量依靠对河床及两岸的冲刷消杀，从而使水流逐步恢复到天然河道状态。但目前为止，对于冲刷坑所消杀能量占整个能量的百分比还没有具体的数据。

1.5 急流衔接消能适用性

从急流衔接消能的分析可知，其运用主要的限制条件在于，采用急流衔接所造成的下游冲刷在可接受的程度，或者说采用一定的工程措施可以防止。

同时，对河床质有一定要求，要求河床质抗冲刷性能比较好。当然山区河流工程所在的河道基本以漂卵砾石为主，抗冲性能比较好，一般不存在问题；但如果存在易于冲刷的河床质，则应认真考虑适用性和冲刷后对工程及周边环境的影响。

2.急流衔接设计相关问题讨论

2.1 防洪标准

根据规范消能工一般采用消能防冲标准进行设计。采用该标准洪水的前提是，消能工的破坏易于修复并对主体工程安全没有影响。对于山区河流覆盖层的闸坝，如果护坦出现严重破坏（如整块破坏、掀翻、尾部淘空等情况），则会直接影响主体建筑的安全。因此，实际设计时，建议根据消能防冲洪水和校核洪水的差距、护坦破坏可能性及对建筑物的影响综合考虑，必要时可提高消能防冲洪水标准。

根据工程经验，提高消能工洪水设计标准，最后往往体现在按最大洪水冲刷深度增加了末端齿墙的埋深和护坦的厚度，所增加的投资往往并不大，但对覆盖层上的闸坝安全则提高很多。

2.2单宽流量的限制

覆盖层上的闸坝，下游冲刷始终是设计必须进行仔细考虑的问题，特别是急流衔接对下游冲刷相对比较明显。

根据已成工程的经验，斜护坦末端单宽流量不宜超过50m3/s（消能防冲标准），在蓄水位较高的闸坝工程中，消能形式更应作为重点进行考虑。

2.3 护坦设计

急流衔接护坦一般采用一坡到底或斜段加短平段的形式，两者本质上没有太多差别。但水平的护坦，从消能的角度而言，是不合适的。护坦具体采用的形式，可根据地形及具体布置来确定。

护坦厚度可根据护坦排水形式的不同，通过抗浮计算并结合工程经验进行确定。

护坦长度确定，应考虑护坦下游冲刷坑形成后对闸坝稳定的影响以及消能效果综合确定。由于护坦作用机理较为复杂，在不同下游水位下，水流衔接方式不同，初步设计时，可参考消力池粗步计算并结合类似工程进行选取确定。

2.4海漫设置

护坦后的海漫是否设置，取决于设置后，是否可以减轻下游冲刷、降低施工难度、工程造价。很短的海漫，对于调整流速作用不明显。如果护坦末端齿槽深度可以保证工程安全，下游冲刷也可接受，工程实际中也经常不设置海漫。

3.结语

通过以上分析，山区河流急流衔接消能，是适合山区河道及水流特性的一种消能方式，在实际运用中取得了良好的效果。但也有自身的限制条件，设计时，应根据其本质及可能造成的影响，合理确定各项参数，做出最适合当地实际情况的设计。

参考文献：

[1] 《水闸设计规范》

[2] 《水利水电工程泥沙设计》朱鉴远.

[3] 《河流泥沙工程学》 武汉水利电力学院.