微弯河道水闸下游河床冲刷机理分析及预防措施研究

胡 欣

（上海市堤防（泵闸）设施管理处，上海 200080）

0 引言

在土质松软地区河道上修建水闸，河道冲刷是必须重点研究解决的问题之一。《水闸设计规范》指出：“节制闸或泄洪闸闸址宜选择在河道顺直、河势相对稳定的河段，经技术经济比较后也可选择在弯曲河段裁弯取直的新开河道上”。但受河道两侧土地利用等诸多现实条件限制，仍有不少闸址只能选在微弯河道上。如何采用合理的手段或措施，防止河道岸滩（特别是转弯段）的河床刷深，确保水闸下游河道堤防的安全，这在城市干支流水闸建设及运行中是尤为重要的。笔者参加了上海市松江区某水闸工程下游堤防除险工程的评审，对微弯河道水闸下游河床冲刷问题进行研究并就此提出了水闸运行管理的预防措施，供设计单位参考。

1 冲刷机理

1.1 横向环流

横向环流是水流经过河道弯曲段所形成的特有现象。水流经过弯道时，为提供水流沿弯道曲线运动的向心力，凹岸水面抬高，凸岸水面降低，形成横向比降，从而产生环流。

水体在水面横比降下存在横向压力梯度FJ，方向指向凸岸侧，沿水深均匀分布；惯性力Fc为水体沿曲线运动的离心力，方向指向凹岸侧；同时，水柱在底部受到底摩擦阻力，方向与其运动方向相反。由于水体垂向流速自水面向河床逐渐减小，故其在做曲线运动时不同水层所在水体离心力大小亦不同。决定弯道水面横向压力梯度所用流速为垂线平均流速，多数情况下相当于中间稍偏下层水体的流速。忽略水柱的底摩擦阻力（T），对于底层水体而言，横向压力梯度大于水体离心力，即FJ＞Fc，使得该部分水体向凸岸方向移动；而对于上层水体而言，压力梯度小于水体离心力，FJ＜Fc，在惯性作用下，水流偏向凹岸移动。由此，造成了底层水流向凸岸、表层水流向凹岸的横向环流，它与纵向水流结合在一起构成了弯道中的螺旋流。

1.2 冲刷机理

螺旋流的存在引起水流的循环和泥沙的横向搬运作用，它们对于弯曲河道的造床作用起着十分重要的作用[1-2]。

在横向环流作用下，表层含沙量较小的水流不断地流向凹岸并插入河底，而底层含沙量大的水流则不断地流向凹岸并爬上边滩，形成横向输沙不平衡。因此，对凹岸形成冲刷的水流，是由流速较大的表层水下潜而来，其挟沙能力也较强，该部分水流不含推移质泥沙，在下潜开始向弯道内侧流动的过程中，对凹岸产生强大的清水冲刷，这种冲刷比顺直河段有推移质运动的主槽冲刷要更为严重[4]。再加上下泄的纵向水流对凹岸的顶冲作用，凹岸岸坡面临着极大的压力，产生冲刷崩塌等险情概率极大。

因此，弯道水流对河岸的作用分为两种：一是水流直接作用于河岸，冲动河岸上的泥沙颗粒并将它们带走；二为水流冲刷坡脚、使岸坡的高度或角度增加，从而使上部的岸壁因重力作用而滑塌。

对于微弯河道水闸下游河道而言，弯道凹岸是冲刷集中的部位，而顺直河段则相对冲刷较少。同时，水位的剧烈升降使河岸产生向河的渗透压力，降低河岸的稳定性。

2 实例分析

2.1 概况

以上海市松江区某水闸工程为例，该水闸位于黄浦江上游干流左岸支流河口段，水闸上游引河河道顺直，闸下排水河道在距泵闸约160 m处进入弯道，弯道角度约130°。水闸为泵闸合建型式，闸室与泵房分别位于工程东、西两侧，设计水闸排涝流量大于泵站排涝流量。

水闸外河左岸翼墙末端堤防建有防汛墙，在水闸长年排水出流作用下，其外河道凹岸段河床被刷深严重，墙前滩地，最终导致结构失稳，局部防汛墙倒塌。

2.2 冲刷计算

以闸室中心为起点，以50 m等间距在闸下游外河道选取特征断面，取闸门排水流量分别为40 m3/s、50 m3/s、60 m3/s，对河道断面平均流速及河道冲刷计算。结果见图1所示。

图1 不同排水流量下河道沿程流速及冲刷关系图

从河道沿程流速及冲刷关系来看，河道冲刷深度与流速正相关。由于河道直线段长度有限，在摩擦水头损失作用下流速有降低趋势但不明显，冲刷深度基本维持稳定；当水流进入转弯段后，冲刷深度出现峰值，出弯后迅速降低。表明河床冲刷最剧烈段出现在转弯段凹岸侧，明显大于顺直河道段。

从不同流量下冲刷深度对比来看，当排水流量达到60 m3/s时，水闸下游河道流速较大，河床受到冲刷，最大冲刷深度超过了0.7 m；当排水流量为40 m3/s时，河道断面平均流速相对较低，已经小于床沙起动流速，但由于行进水流的分配不均匀性，河床局部会存在轻微冲，可以认为该流量下水流流态为该河床不引起全面冲刷的临界状态。

2.3 冲刷原因

在低含沙量水流中，河道冲刷深度与水流行进速度息息相关，水流流速与床沙质起动流速的关系成为河道是否冲刷的关键因素。当行进流速大于河床起动流速时，河道将被冲刷。

从水流结构来看，出闸水流行进至弯道时，在弯道螺旋流的纵向顶冲和横向淘刷双重作用下，河道凹岸侧受到冲刷成为必然。若水流流速较大，而护底措施不完善时，极易出现险情。

从总体布置来看，由于闸室布置在水闸东侧，闸门开启后水闸过流流量远大于泵站设计流量，水流在凹岸处及凹岸处上游河段高流速主流区都分布于河道左侧，水流在较长一段范围内不能很好地扩散至整条河道，形成了偏流。故在水闸下游顺直河段内东侧河道明显刷深严重。

从运行调度来看，在超标准泄洪或高水头差时闸门一次开度过大等不当操作下，将直接导致河道纵向流速过大，出闸水流流速大于床沙的启动流速，产生了河道冲刷。对水闸运行而言，应合理控制闸门开启度，从而达到控制河道单宽流量、稳定水流流态的目的。

3 设计及运行管理措施

对微弯河道而言，合理的泵闸布置、可靠的消能防冲设计、科学的调度方案、规范的运行管理都对水闸下游河道防冲刷起到至关重要的作用。就此，对微弯河道上水闸的设计及运行管理提出以下建议：

（1）在水闸设计过程中，应充分考虑转弯段的清水冲刷作用，对水闸设计流量及下游弯曲段凹岸侧防汛墙结构设计及护底措施须谨慎对待。

（2）水闸建成运营后，应严格按照设计调度运行方案执行。若要对设计运用条件进行更改，应联系设计单位对其合理性进行充分的论证。

（3）闸门启闭是水闸控制的关键，需做到及时准确。应绘制闸下安全水位与闸门开度曲线，闸门启闭须逐级进行，控制好过闸流量，防止远驱水跃的发生。若闸门一次开度到位时，则极易产生集中水流和偏流。多孔水闸应分级均匀开启，避免不对称开启情况。

（4）在水闸运行过程中，应同步进行流态观测。观测内容主要包括不良水流形态如回流、折流、水跃等，一旦发现不利水流时，应通过调整闸门开度等手段应急解决。同时，应及时分析原因，进一步优化闸门调度运行方案。

（5）进行河床动态监测，每年汛期前后要定期对水闸下游护坦、海漫进行测量检查，定期清除砂石杂物，发现隐患及时处理。若发现存在冲刷坑等破坏时，可采用抛石护底等方式处理，进行工程养护维修。

4 结语

在微弯河道上建闸，转弯段水流对于凹岸的顶冲作用而带来的岸滩冲刷不容忽视，应加强护底等措施避免河道刷深，保证防汛墙安全。在水闸运营过程中，要求管理者科学合理地执行调度方案，辅以安全监测，确保工程安全，发挥工程效益。

[1] 钱宁，万兆惠．泥沙运动力学[M].北京：科学出版社，1983．

[2] 钱宁，张仁，周志德.河床演变学[M].北京：科学出版社，1987．

[3] 白玉川，顾元棪.水流泥沙水质数学模型理论及应用 [M].天津：天津大学出版社，2005．

[4] 杨忠良.弯曲河道冲刷定量计算探索 [J]． 铁道标准设计，2004，（3）：15-17．

[5] 王兆印，黄金池，苏德惠.河道冲刷和清水水流河床冲刷率[J]．泥沙研究，1998，（1）：1-11．