平原区水闸闸下消能防冲与闸门控制运行探讨

梁华锋

（广州市天河区水务设施管养中心，广东广州 510710）

平原地区的水闸规划及建设过程中，水闸通常设计为多孔，实际工作过程中采用局部开启的工作方式。这种开启方式会使水闸闸下消能防冲出现一些问题，实际控制管理出现差错或设计不科学时，工程存在严重的安全隐患。在实际工作中，必须对水闸闸下消能防冲及闸门控制运行工作加强重视，保证整个水利工程安全运行。

1 平原区水闸闸下运行基本情况

平原地区河床的土质主要以软弱土体和肥沃土质为主，受水流冲击时，比较容易形成冲刷痕迹和渠道。水闸过水时的动力模式会产生一定的多余能力，多余的能量也会形成冲刷痕迹与渠道。冲刷痕迹与渠道会对水闸的正常运行产生一定影响，使河床宽度大于闸宽，河道宽而浅，造成过闸水流不容易扩散。

为了避免以上问题的产生，在水闸闸下消能防冲与闸门控制的过程中，应当制定一个科学合理的水流量控制标准，结合消能与消防措施，有效控制水流量，提升水闸闸下的抗冲刷能力。

水流量越大，冲刷能力和动力越大，对河床造成的影响越大。此时，水流经过闸门时不会迅速扩散，会对周边的建筑物体造成不利影响。水流的主流与回流也会因此而受到挤压，出现回流冲水流现象。应当加强对各影响因素的综合考虑，对其进行科学管理。

2 平原区水闸闸下消能防冲及闸门控制研究现状

平原区的水闸大多为多孔，实际使用过程中多为局部开启，能够对闸下消能防冲造成影响的因素较多。消能防冲设计不当或闸门控制运行存在问题，会造成严重的后果。

（1）对平原区水闸部分开启状态下的水流转化及状态进行研究。

（2）对闸下各种水跃形式进行研究。

（3）根据一些资料对折冲水流出现因素进行分析，判断折冲水流简单数学模型。

（4）针对具体的水利工程，对消能防冲问题进行应对解决，结合平原区水闸特点进行消力池设计研究[1]。

（5）通过设计及运行管理等方面研究，提出有效预防下游冲刷破坏影响的相应措施。

3 水闸闸下消能防冲必备条件及下游控制水位选择

3.1 水闸闸下消能防冲必备条件

平原区河道地质大多为黏土、亚黏土等，地质构造抗冲击较小。水闸实际运行时，需要保证消力池符合常规消能要求，对折冲水流、下游河道中断面平均流速及回流区强弱等因素进行综合考虑和分析。

（1）消力池中不可出现远驱水跃，池后不能出现二次水跃。

（2）部分闸门开启后，不能出现较大的折冲水流。

（3）闸门大开度运行不可出现不稳定的水跃。

（4）防冲槽后不能出现强回流区域。

（5）防冲槽后的流速必须小于不冲允许流速，海鳗段与消力池流速均应小于不冲允许流速。

3.2 各种状态下可允许下游控制水位选择

闸门控制运行图绘制过程中，闸上水位应为设计水位，通常节制闸闸上水位均处于设计水位旁边，设计水位是整个消能最危险的水位。设计水位比闸上实际水位高时，相对安全，如果闸下水位变化较大，尤其是出现梯级水闸时，闸下水位和闸出流量及下级水闸运行状态必然受到影响。

进行小流量释放时，下游水闸不蓄水，下游河道呈现枯水状态，情况极为危险。整个闸出流量由下游蓄水情况与上游来水情况同时控制，闸门控制运行要求解决的关键问题是要求水闸进行某流量释放时，对应的闸门开启方式及下游水位控制[2]。

如果低于一定水位必然难以运行，高于该水位时可以运行。实际实施过程中，水流极为复杂，各种影响因素较多，难以同时符合消能冲防的几个条件，实际下游水位通常由水工模型相关试验确定。

4 某工程闸下消能防冲与闸门控制运行分析

某水利枢纽工程为节制闸工程，有11孔弧形闸门，闸门净宽12 m、设计水位46.0 m、设计流量3 500 m3/s、上下游河道底部高程35.0 m，上游河底与闸底板齐平。通过计算及试验确定，闸下消力池深1.5 m、整个池长度26 m，整个水工模型试验长度比尺采用λL为80 m。根据尽量多开孔及对称开启原则进行试验。

通过试验对比可知，如果开启2孔，应该以3号与9号为最佳；如果开启4孔，以3号、5号、9号为最佳；如果同时开启6孔，应该以1号、3号、5号、7号、9号、11号为最佳。

（1）在这三类情况中，Z下min直接由消力池中水跃状态决定。

（2）开启孔数为2个及4个，开度分别为1.0与2.0 m时，水流出现明显折中，实际运行过程中，应禁止开启孔数2个、开度1.0 m和开启孔数4个、开度2.0 m两种情况。

（3）开启孔数为6个、开度1.5 m时，Z下min由下游河道流速决定。

（4）开度为2.0 m时，不出现不稳定水跃对应值。

（5）开度超过2.0 m时，单款流量变大，水流出池后出现明显波动，且流速大，难以进行调整。开启孔数为6个时，避免开度超过2.0 m。

（6）开启孔数为11个时，Z下min由下游河道流速决定，以闸门开度与下游水位为纵横坐标，依据实际开启孔数、上游水位在设计水位时的情况，绘制整个闸门控制运行曲线，曲线右侧为可开区，曲线左侧为不可开区。

最低水位Z下min对应关系如表1所示。

表1 最低水位Z下min对应关系

设计工况如表2所示。

表2 设计工况

5 平原区水闸闸下消能防冲具体设计要点

（1）消力池布置。

消力池布置如图1所示。

图1 消力池布置

池底高程及消力池深度按照过闸流量、上下游水位及实际地质地形等情况进行水跃计算，有时此计算结果为负值或0，理论上不要求进行消力池设计，但实际工程应用过程中仍需要设置一定的消力池，以实现流速调整、充分消能及稳定水跃位置。消力池长度最本质的要求是保证水跃控制在池内，消力池的长度直接与水跃长度相关。水平护坦上出现的自由水跃所需消力池极长，且与各级泄流量存在一定矛盾，实际工程实施时较少使用[3]。

（2）防冲槽及海鳗设计。

过闸水流水跃消能结束后，内部40%～70%的能量被消耗，但紊动现象依旧明显，其底部流量分布不均匀且流速较大，必须采取一定的处理措施，在消力池布置后仍需要布置防冲槽消除能量。

（3）河岸防护。

为了保证上下游两岸不受水流冲刷，必须进行一定的河岸防护，河岸防护长度应超过护底长度，最少延伸至冲刷末端[4]。靠近闸门的一定距离内流速较大，护岸材料通常选用现浇混凝土及一些混凝土预制块，其余护岸部位使用砌块石，块石厚度通常为0.5 m，混凝土护岸厚度范围应为0.12～0.15 m，加垫一些碎石垫层。

（4）辅助消能工。

水闸闸下的水流速度<16 m/s时，需要在消力池中设置辅助消能工，提升消能工作效率，缩短消力池长度，增大消力池深度或降低尾坎高度。常见的辅助消能工主要包括趾墩和消力墩两种类型。趾墩应设置在消力池斜坡的末端，可以缩短消力池长度，增大消力池深度或降低尾坎高度。消力墩应设置在消力斜坡的平面，可以分散水流，增加消能效果。水头较低时，消能效果不明显，甚至发生水流紊乱现象。

6 结语

平原区水闸大多为多孔运行，实际运行过程中局部开启，影响消能防冲的因素较多，效能设计不合理或实际控制管理不当，会产生非常严重的安全隐患。本文对当前平原区水闸闸下消能防冲及闸门控制运行研究现状进行叙述，对需要遵照的条件及下游控制水位进行分析，结合某工程对闸下消能防冲与闸门控制运行进行具体分析。结果对制定闸门操作制度、合理保护河岸及促进水流扩散、降低下游冲刷危害等方面均具有重要的意义。