水闸防冲设施破坏机理存在问题及设计研究

鞠福勇

(大连市普兰店区河道管理处，辽宁 大连 116200)



水闸防冲设施破坏机理存在问题及设计研究

鞠福勇

(大连市普兰店区河道管理处，辽宁 大连 116200)

深入研究水力学理论科学布置上下游水位的连接段及水闸等挡水建筑物的平面结构，并制定设计合理精确的闸门操作制度，可以最大限度的保证水闸等挡水建筑物的安全运行以及下游河床的安全稳定，其最关键的问题就是科学合理的设计水闸消能防冲设施。文章研究分析了水闸等挡泄水建筑物的破坏机理，并针对各个破坏问题分析研究了对应的解决措施仅供参考。文章以水力学理论、水闸的运行特性为依据，系统分析并提出在设计实施水闸等挡水建筑物中应该考虑的原则和注意事项，并为后续的水闸消能防冲设施的设计施工提供了一定建议。

水闸；消能防冲；破坏机理；消能池

1 目前国内水闸建设概况

截至2000年，中国各省地市级政府水利部门管理的大型水闸和中型水闸共3700多座。主要包括：大型水闸486座(过闸流量>1000m3/s)、中型水闸3278座(1000m3/s<过闸流量>100m3/s以上)。调查发现，破坏严重的下游河道的挡水设施占全部大中型水闸的42.3%[1]。

目前国内外的专家学者对于水闸消能的研究，已经较为深入广泛。对于闸下冲刷破坏的研究显示，产生此问题的原因很多：消能设计条件不合理、闸门开启不对称、平面布置不合理、开启速度过快等。国内常选用最大单宽能量(E=ρgΔHq)作为水闸消能防冲的主要控制条件之一。上游水位和下游水位分别采取提闸泄水时的闸上最高挡水位和相应于前一级开度泄量的下游河道水位及可能出现的最低水位。下游水位要把水位升高滞后于泄量增大的情况及闸门开启过程中的非恒定流特性考虑在内[2]。

消能防冲的设计条件采取的是恒定流的计算公式，选用门分级开启逐级试算的方法找出最大单宽量(E=ρgΔHq),此算法导致消能设计标准常常选择不当，主要是闸门开启过程中非恒定流水力要素规律的偏差。

以出闸流量、地质条件的消能防冲要求为依据，水闸消能防冲设施主要包括海漫、海漫末端的防冲墙、水闸闸室下游的消力池(护坦)。

消力池(护坦)的主要作用是消除下泄水流的动能，并使得下泄急流迅速变为缓流。

海漫的主要功能是消除经过消力池(护坦)流出的水流的剩余动能，调整流速使水流均匀流出，使得经过消力池(护坦)流出的水流与下游河道水流顺利对接。而以防海漫末端被水流冲刷淘空是海漫末端防冲墙的主要作用[3]。

2 水闸消能防冲设施破坏机理存在问题

2.1 水闸设计存在问题

1)消力池(Stillingbasin)倾斜、倒塌的破坏：我国地大物博目前地质勘探工作覆盖面有限，有些工作了解不到位如河床土质物理力学性指标、闸基础及设计实施过程中存在的地质问题等引起。

2)水闸的枢纽非理性布置，从而产生回流、偏向水流。

3)消能防冲设施受到冲刷破坏：上游河床的泥沙不断淤积及整治段偏短引起过闸单宽流量不合理而导致。

4)消能防冲设施磨损、基础淘刷及气蚀：由于消能设计不符合消能防冲要求使出闸水流的水流条件及流态受到影响。

5)由于水闸防渗排水设计缺陷引起的一系列问题如：下游挡水设施破坏、流土遭到破坏、消力池底板开裂、地基变形等。

此外，在水闸设计中水力计算方法及参数取用存在问题，海漫长度和防冲墙深度，消力池(Stillingbasin)的长度、深度存在问题等也引起消能防冲设施的破坏[4]。

2.2 工程施工质量及管理存在缺陷

由于工程施工过程程序复杂导致并没有严格按照设计要求施工或者施工监管不严格；混凝土浇筑瑕疵不达标、消能防冲设施的结构尺寸不达标、过水部分粗糙、未按时进行修理修缮使得在水闸运行时造成挡水设施的破坏。

在水闸运行管理没有设计严格的制度及措施或者执行不到位，未能按时维护小问题未及时得到妥善处理逐步导致重大损失。水闸运行时未按照严格的闸门操作流程执行，闸门开启存在问题导致流速和局部单位宽度水流量过大引起消力池(护坦)内形成不良流态造成淘刷及磨损等严重后果。在运行时未得到确切论证就擅自改变运用条件导致下游河床严重冲刷和挡水设施结构的严重损坏引起一系列严重问题必须引起高度重视。

3 水闸消能防冲设计研究

一般水闸的过闸流量、泄洪方式以及上游水位与下游水位等常常是变化各异的，结合水闸的运行要求、水闸的消能防冲等一系列挡水设施无论在何种水力条件都应符合均匀扩散水流和水流消散动能的要求。

另外因为水流过闸时具有较大的动能，水闸的宽度低于河道的宽度，使得水流过闸量较为集中时，单位宽度的水流量加大导致水流动能增大，从而设计相对应的设施使过闸水流与下游河道有较好的水流对接。

对此建议水闸消能防冲设施的设计需要遵循以下原则：

1)过闸水流流速一般较大而且紊动激烈，须把下游水位的消能问题考虑在内。若水闸抗冲能力小、水头低、下游水位变化大建议采用底流式消能。

2)消力池(护坦)或其他消能设施应尽可能的满足水跃共轭水深。

3)对于在下游消能防冲设施的过闸水流形成波状水跃或冲刷下游河道应该高度重视并采取安全措施。

4)以水力设计为基础制定闸门控制运用方式来保证工程安全。避免由于闸门控制运用失误产生水流折冲或水流集中等危险流态而造成冲刷损坏。

消力池(护坦)的主要形式有3种:尾坎式消力池(即在护坦高程末端修建消能坎，形成的平底消力池)、挖深式消力池(护坦高程降低后形成的消力池)综合式消力池(既有挖深又筑有低坎的消力池型式，较为常用)[5]。

在水闸设计时应根据河道的实际地质物理力学性指标、河道的上游水位与下游水位差值、单位宽度的最大水流量、水闸流量等情况综合起来并合理的选择消力池(护坦)形式。同时依照相关要求合理计算消力池的长度与深度和厚度。并计算水闸在运行过程中，消力池必须承受扬压力、脉动压力及高速过闸水流的冲击力，所以消力池必须具有一定强度的抗冲能力应对高速过闸水流的冲击力还应该满足抗浮的稳定性要求。

在具体的设计施工中，经常会忽略消力池(护坦)深度与出闸流量之间的关系，认识错误惯性思维认为在过闸流量最大时消力池(护坦)深度也最大，因而引起计算失误。在消力池(护坦)相关深度的确定值计算时，应该根据已有水闸数据假设过闸流量的不同值并算出每个值对应的消力池(护坦)深度，并综合比较确定最大值作为消力池(护坦)的深度。另外也可以画出关系曲线(消力池的深度与过闸水流的流量关系曲线)从而确定消力池(护坦)的深度的确定值。

流出消力池(护坦)的水流对河床仍有较强的冲刷能力，在消力池(护坦)抵消水的一部分动能之后，但也由于其他原因使得消力池(护坦)的水流底部流速较大没有达到正常流态。因此为了避免河道的严重冲刷，消力池以下的河道应该使用坚硬的岩基还要设置海漫护底来抵抗冲击力。

在对海漫设计实施中必须要控制好单位宽度内最大的水流量和水流的扩散度。消力池(护坦)末端河道的土质情况和单位宽度内最大的水流量并结合对应的公式计算得出海漫长度。在下游河道的冲击力较小时一般选用水平的海漫形式，在下游河道的冲击力较大时选用倾斜的海漫形式。或者采用结合式即前面一段水平后面一段倾斜。

选用倾斜海漫时一般斜坡采用≤1∶10。由于海漫功能所以海漫应具有较强的河道的冲击力、表面粗糙性、柔性和透水性。海漫的抗河道的冲击力是为了保护河道并保证海漫不被水流冲击破坏。海漫的表面粗糙性的功能是抵消除水流的剩余动能。海漫的柔性是保证海漫在一定范围内可以顺应河道的变化。海漫的透水性是保证抵除来自底部的渗透压力。

一般情况下应该在海漫的末端增加设置一道海漫的防冲设施，因为流出海漫末端的水流仍然有一定的冲击力也会在一定程度上影响海漫等消能设施结构的安全。

通常情况下海漫防冲墙采用重力式挡土墙形式(海漫顶面应该和墙顶齐平，墙底高程决定于开挖施工、冲刷深度等条件)。以水闸设计规范的计算公式来计算确定海漫防冲墙深度，在计算过程中应该根据河道地基土颗分曲线确定河床土质允许不冲流速[6]。

在实际情况中如果得值过大使得海漫防冲墙施工经济压力大而且施工难以进行，那么可以结合现有成功的案例工程合理确定海漫防冲墙深度。

4 结 论

科学合理的设计水闸消能防冲等挡水设施的保证其安全运行以及下游河道的安全稳定。在整个安全设计的进程中，务必要符合设计要求并且要以实际情况为依据充分地把地质力学条件、消能防冲的各种安全运行方式以及水闸等挡水设施的安全运行考虑到位。

在水闸等挡水建筑物的施工阶段，应该要仔细研究成功的水闸案例，确保保质保量监管到位随时发现问题要进行及时妥善的处理，才能不断提高水闸消能防冲的科学合理设计的水平。

深入研究水力学理论科学地布置上游水位与下游水位的连接段及水闸等挡水建筑物的平面结构，科学详细的分析过闸水流的力学性质并精确计算海漫、海漫末端的防冲墙、下游的消力池各部位的数据，同时制定设计合理精确的闸门操作制度，最大限度的保证水闸等挡水建筑物的安全运行并使得尽量减少下游冲击引来的危害，必须保证人民的生命财产安全。

[1]袁庚尧,余伦创.全国病险水闸除险加固专项规划综述[J].水利水电工程设计,2003,22(03):6-9.

[2]李占松,高双聚,杨玲霞.平原区水闸下游消能防冲与闸门控制运行[J].水利水电科技进展,2011(05):19-21.

[3]袁剑军.土石坝防渗墙黏土混凝土材料的工程应用初探[J].水利建设与管理,2013(02):33-35.

[4]艾斯卡尔·吾休尔.水闸消能防冲设计要点分析[J].黑龙江水利科技，2014,10(42):117-118.

[5]文恒,智泓,牟献友.水闸消能防冲设计条件的确定[J].水利水电科技进展，2015,25(06):11-20.

[6]陈立新,聂世虎,王子朝.水闸深度与长度计算中应注意的问题[J].水利技术监督，2005(04):16-19.

1007-7596(2016)10-0079-03

2016-09-14

鞠福勇(1972-)，男，辽宁大连人，工程师，研究方向为河道治理与管理、水利工程施工、监理、水利工程管理等。

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