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对水闸设计问题的补充讨论之二
——水闸底流消能水力设计

2023-01-12茹建辉

广东水利水电 2023年1期
关键词:底流消力池水闸

茹建辉

(广东省水利厅,广州 510635)

1 下游河道水位流量关系的确定

底流消能是水闸工程应用最广的消能形式,在水闸泄流时,若下游仍有足够高的水位,保证水跃旋滚出现在消力池中或其上游,工程能安全地运行。若在泄流时下游水位低于相应的设计值,消力池不能形成水跃旋滚,流速较大的水舌将越过消力池尾,进入海漫和下游河床,形成“远驱水跃”,冲毁下游的海漫和河道,破坏会继续向上延伸危及消力池等主体工程。自上世纪以来,由于河沙被大量抽取,很多河道河床下切和水位下降,已引起大量用底流消能水闸的海漫甚至消力池被冲毁。工程下游水位是消能工程设计不可缺失的下游边界,其选定合理与否是工程设计成功与否的关键;同样下游水位流量关系是否在继续下降,会不会超过设计条件,也是工程能否安全运用的关键。

遗憾的是,对工程下游河道水位及其变化趋向的研究与分析,这个及底流消能工程设计成败的重大问题,并末受到应有的重视。《水闸设计规范》(SL 265—2016,以下简称为《规范》)第5.0.8条只简单地提出:“当下游水深大于临界水深时,消力池计算见附录B”,该条的条文解析称:“要求出池河床水深大于临界水深,否则消力池后将出现急流状态,这是不符合设计要求的”[1]。

关于 “出池河床水深”问题将在后面讨论。众所周知,临界水深只是判断水流流态的一个水力学指标,与河床的抗冲能力完全没有直接联系。表1为一般水闸在中、小开度泄流时,矩形河床的单宽流量q与相应的临界水深hk和临界流速Vk的关系。根据对软基河床水文测验资料初步统计分析证明,实际软基河床的冲淤动力平衡流速,可能不及临界流速Vk的50%,用下游河床水深是否大于临界水深来确定消能效果,似乎是毫无根据的。此外,水文测验资料还证明,砂质河床的河道都是缓流,其上游河床的颗粒大于下游,其不冲流速或冲淤动力平衡流速亦大于下游,但都远小于临界流速。

表1 单宽流量与相应的临界水深和临界流速的关系

因工程下游水位决定消能设施的成败与工程安危,水闸下游水位流量关系的合理选择,应当是消能设计必不可缺的重要内容。《规范》1984版有关底消能水力设计的第4.0.5条的条文及编制说明中指出:“确定消力池设计的控制条件,情况是比较复杂的,它与水闸上下游水位差、过闸单宽流量、下游水位、闸门开启方式、闸门开启速度和下游水位能否迅速抬高等因素有关。在水闸设计中,应详细计算可能遇到的各种水位组合情况……”。这是该版《规范》编写的专家们总结了20世纪80年代以前,依据大量水闸工程设计和水闸工程安全运用经验得出的结论,在当时(河道未普遍出现下切)是完全正确的,对指导水闸正确地进行消能水力设计起了很大的作用。遗憾的是《规范》自2001版开始,把上述重要的指导性条文中有关必须重视下游水力边界问题弱化,到2016版第5.0.8条更简化为“底流式消能设计应根据水闸泄流条件进行水力计算”,水闸泄流经消能后的流场应与下游平顺衔接,尽可能不冲刷损毁下游河床,这是消能设计的目的。没有消能设施下游水力边界的可靠资料,没有可靠的下游水位流量关系作为设计依据,消能水力计算根本不可能正确地进行,没有办法保证建成的水闸下泄水流不会冲刷损毁下游海漫和河槽,并进而向上发展危及消力池。

鉴于笔者未查到包括《规范》在内的相关专业规范有对水闸工程下游水力边界选定和变化分析的指导和要求,为保证工程设计安全,笔者不得不再次在此提出建议,供设计人员和《规范》编审专家参考。

1) 水文观测资料证明,河道中任何断面的水位与流量关系,都不是单一曲线,而是一组“绳套”状的曲线族。

2) 对同一场洪水过程而言,在涨水期由于下游河道的槽蓄作用,使水位升高滞后于流量增加;而在来水流量逐渐减少的退水期,同样因槽蓄作用使水位下降滞后于流量减少。故对同一流量而言,退水段水位流量关系曲线较涨水段高,一次洪水过程的水位流量关系是流量与水位成双值对应的“绳套”状的曲线。

3) “绳套”的位置和张开度不仅与该次洪水特性有关,还与前期水文条件有关。若前期发生过较大洪水,河槽刷深,“绳套”位置较低;当前期连续干旱,河道部分淤高,“绳套”位置较高;若该次洪水历时较长和总量较大,“绳套”的张开度较小;反之则张开度较大。

4) 把同一站点历次洪水水位流量过程线绘在同一图上,就形成一组如上述流量与水位多值对应的“绳套”曲线族。

5) 为保证在各种泄流条件下水跃均发生在消力池及其上游, 底流消能的水闸工程应用“绳套”曲线族偏低值包络线作为设计的下游水力边界。

图1为海南龙塘水文站在20世纪70年代河道变化相对稳定期时,3次洪水的水位流量过程线。由图1可见, “绳套”位置变化不大;这几次洪水总量较大,“绳套”的张开度都较小,后期洪水过程线的位置略低于前期。由图中可见,若以水深计算,该“绳套”曲线族的上、下包络线与中值线之差约为±10%。图2为广东化州水文站1988—2001年4次洪过程线的“绳套”,由图2可见,该站下游河槽正处于下切过程,尚未稳定。若要在此类河段建底流消能的拦河闸,还需补充资料,分析“绳套”最终稳定的位置;当现有资料尚不足以确定其稳定位置时,应考虑未来可能要采用稳定闸后尾水位的补救措施。

图1 龙塘站20世纪70年代洪水水位流量关系示意

图2 化州站1988—2001年洪水的水位流量关系示意

上述现象除再次提请设计人员重视外,建议《规范》补充专门针对水闸设计所必需的、下游水位流量关系的分析和选择指导性章节条文,以求更好地履行指导水闸设计的职责。因一般水闸工程下游都缺乏水文测站,下游的河道地形资料往往是在枯水季节测得,与行洪期的地形有相当大的差异,不能把枯水期测量获得的河道地形当作“稳定的”河道地形,直接用于工程设计,对此广东省有过沉痛的教训。对上述水闸下游水位流量关系的确定、泄流量和下游不利水位遭遇选择等方法问题,未见有规范文件介绍,笔者以往已分别作过介绍,现再综合建议于下:

1) 如前述,当工程下游有水文站时,应从其实测洪水过程水位流量关系的“绳套”状的曲线族中,选取已趋向稳定的、部分曲线族的涨水过程下包络线,作为底流消能设计的下游水位流量关系线。

2) 目前大部软基河流的河床都仍处在变化过程,即使在河道变化相对稳定期,洪水期与讯前河床的地形是不完全相同的,尤其是临近河口的河段,我们能获得的基本上都是枯水期的河道地形资料,尽管按照历版《水利计算规范》的要求,采用精确的水文或水力学计算方法,可以推导出下游水位流量关系的曲线族,除工作量大、绝大部分工程都无法支付这部分前期工作费外,按洪水期地形修正计算成果的工作量更大,成果未必与计算方法的精度匹配。

3) 建议采用河道变形稳定后的、行洪时的河床地形(尤其要修正河口段),用恒定流方法推算工程下游水位流量曲线,近似当作“绳套”曲线族的中线;再参考邻近水文站洪水过程曲线族的、中线与下包络线的关系(如水深比值),近似地确定工程洪水过程曲线族的下包络线,作为底流消能设计的下游水力边界。

2 海漫段的水力计算

《规范》有关底流消能的水力计算的要求,包括2016版(第5.0.8条)、2001版(第5.0.8条)和1984版(第4.0.5条),都用几乎完全相同的文字称:“底流式消能设计应根据水闸的泄流条件进行水力计算,确定消力池的深度、长度和底板厚度。”这三版规范的 “消力池计算”图中,都直接把消力池后的水深标示为“出池河床水深”,把海漫的作用、设计内容和对消能计算的影响完全忽略。

消力池是底流消能系统的重要组成部分,但不等于是它的全部,底流消能系统除消力池外,还应包括海漫、防冲槽及彼此间的联接。2016版《规范》有关消能防冲布置的第4.4.2条和水力设计5.0.8条的内容,只提示了设计人员保证在消力池中能形成水跃,没有顾及海漫及其上下衔接段的流态。实践证明,以此指导设计出的大量水闸底流消能工程,不可能是安全的。

图3 底流消能在出现临界水跃时的纵剖面示意

图3为在临界条件下一个较合理底流消能系统的纵剖面示意。水闸泄流后,先经陡坡把下泄水舌的流速加大,并进入有一定水深的消力池,经消力池内水跃漩滚消能后,水舌厚度增加和流速大幅度地降低。水流从消力池尾较平稳地流入始端表面稍高于消力池底的海漫。海漫疏水的底板及其粗糙的表面可消減出池水流水体内的紊动,将出池水流平面不均匀分布调整到设计所需,将纵向流速垂线分布调至接近对数曲形分布的常态,使出池水流的流场与下游河道的流场平顺衔接,基本上达到不冲损海漫和下游河床的目的。由图3可见,底流消能设计至少包含下述内容:

1) 保证在任何泄流条件时,水跃出现在消力池内或其上游。

2) 消力池末进入海漫始端过程中,水位会有一定的跌落,能量有一定损耗,但不能过度增大2-2断面和3-3断面的水位差来抬高消力池的尾水位,这将加大海漫被冲毁的风险和消能压力。

3) 海漫上水流的流速(特别在始段)不得大于海漫材料的抗冲能力。

可以肯定地说,“对池后(海漫和)河床还可能造成冲刷”的底流消能工程设计,是不成功和不合格的。按第4)点要求,4-4和5-5断面间各流线垂线的流速矢量大小和 分布应基本相同;按第3)点要求,应复核海漫上水流的流速,保证不会超过海漫材料的抗冲能力。海漫始端断面3-3与末端断面4-4断面间的能量方程为[2]:

(1)

式中:

Δα3——海漫始端断面动能改正系数与流速按接近对数曲线分市的动能改正系数之差,经海漫粗糙表面调整后会很快归零;

(2)

式中:

(3)

或:

(4)

若海漫沿程过水断面有突变时,3-3和4-4断面间的能量方程应根据断面变化分段列出。

由式(4)可见,若海漫两端的流速水头差等于其间的水头损失时,两端水位持平;若海漫始端过水断面偏小而流速较大时时,其水位有可能低于河道下游水位。此时把海漫始端水位当作跃后断面的下游河床水位,可能导致实际水跃的淹没度不足,严重者消力池内可能出现远驱水跃。

水跃后断面2-2与海漫始端断面3-3断面间的能量方程为:

(5)

(6)

由式(6)可见,因海漫始端同时受脉动压力影响及自身材料抗冲能力限制,其始端流速v3数值应在缓流范围内。如果用池尾设突槛来提高消力池底板高程,2-2与海漫始端断面3-3断面间的落差增大,两断面间可能要出现水流撞击、漩滚、波涌等恶化流态的水力现象,甚至在海漫始端出现二次水跃,通常海漫的结构材料是无法抵御二次水跃冲刷的。有些工程虽然用现浇混凝土或浆砌石来加强海漫始端的防护,若疏水性不足会加大消力池及其上游结构的扬压力;另若此落差较大,海漫始端的水流流态恶化后,不易在正常设计的海漫范围内获得改善,使流出海漫水流仍挟有一定的波涌和紊动,冲刷和破坏海漫和下游河床,这已为大量工程事故证实。

《规范》有关消能防冲布置的第4.4.2条和水力设计5.0.8条的内容,包括现有大量设计参考资,只提示了设计人员应保证在设计的消力池形成淹没水跃,没看到有要保证出池水流与海漫始端的流场平顺衔接的要求;没看到有要保证海漫末端与原河道流场平顺衔接的要求;没有看到有要校核海漫各断面流速,使之不超过海漫结构材料抗冲能力的要求。消能防冲布置的第4.4.2条只推荐用不同突槛来形成消力池,抬高出池水位,置出池尾水流和海漫始端的流场衔接情况置之不顾;亦置海漫上的流态于不顾;按此指导设计出的底流消能系统肯定是不完备的,很可能在工程投产后海漫及下游河床会迅速出现冲刷破坏。图4为广东某大型水闸纵剖面示意及其次年破坏后的情况,设计中为減少消力池深度,将海漫始端表面设置在几乎与原河床相同的标高上,建成后投产次年,海漫始端的水平段全被冲毁。

通过上述分析,建议《规范》增加专章和条文,设计人员应注意:

1) 底流消能的水力计算不能只满足于消力池内形成水跃,对海漫上的流速及其与上、下游流场的衔接条件复核,也应是必不可缺的内容。

2) 为达基本不冲刷下游的目的,设计人员应尽量保证在设计洪水标准以下泄放各种流量时,出海漫水流的流场与下游河道的流场应平顺衔接;即4-4和5-5断面间过水面积大小基本接近,两断面间同一流线的垂线流速矢量分布应基本相同。

3) 由式(6)可见,若海漫始端流速过大,则它与下游河床水位差亦增大;有时为保证海漫两端流速差不致过大,往往需将海漫始端标高降低,使其表面成如图3所示的略成反坡状。图4所示的,纵向始端底部为水平状的浆砌石海漫,因设置过高,即使在它与河床联接段按历版《规范》的要求加设了1∶10倾向下游的斜坡,海漫始端在建成不久即程冲毁破坏。

a 工程设计纵剖面

4) 若过度提高海漫始端的设置标高,似可減少消力池的工程量,实际上会降低消力池下游水位和加深消力池底的高程,还会恶化海漫上的流态。海漫始端标高不宜随意设定,它与消力池底标髙应有一个不间断地“设”和“计”的方案比较过程,最后选定的应为水力条件和工程量双优方案。

5) 《规范》第4.4.2条提出全部设突槛消力池,相当于利用突槛加大消力池尾的水深,无视海漫及其以后的流态,是不合理的。

6) 《规范》中列出的海漫长度的计算式,基本上是引用南科院根据1955年水工试验研究会议学术讨论文件汇编的《水工建筑物下游消能问题》(第26~27页),其应用条件为“消能均已完善,翼墙扩张角也较适宜”。宜在《规范》中补充海漫两侧不会出现回流的水面扩散角控制值;海漫长度应延伸至能与两岸连接处。

7) 在《规范》中与它所介绍的其他设计计算参数同等精度地,介绍不同海漫结构和材料在不同流态和不同水深条件下的抗冲能力,供设计人员参考。

3 消能水力计算

《规范》第5.0.8条规定:“底流式消能设计应根据水闸的泄流条件进行水力计算,确定消力池的深度、长度和底板厚度等”,这简单的陈述完全不足以指导水闸完整的消能水力计算。

首先,底流式消能水力设计必须包含上面提及的海漫上水力计算,确定海漫的长度、底部的纵向和横向的轮廓、选择海漫的结构材料和厚度,而不能只局限于消力池。笔者曾检查过如图4所示的几宗消能设施出现破坏的工程设计文件,全都缺失这部分极其重要的内容,都在投产后不久,海漫即被冲毁甚至祸及消力池。

其次,底流消能水力计算除选定不利的下游水位流量关系外,还要如《规范》84版的要求,“根据水闸的泄流条件进行水力计算”,即寻找下泄流量与下游水位的最不利组合作为设计的依据。因闸门提升速度远比洪水上涨速度快,通常要根据水闸初步拟定的开启程序,用上一序开度末瞬的下游水位,与下一序开度初瞬的流量遭遇,确定泄流量与下游水位最不利的遭遇曲线(如图5所示),以此作为海漫和消力池的水力计算的设计依据,取池深和池长最大者为设计值;在某些情况下还需适当调整闸门各序的开度,进行方案比较。

图5 闸门下泄流量与下游水位遭遇示意

图6为《规范》采用的消力池计算示意,式(7)~(10)为规范采用的消力池深度计算公式,因其自1984版《规范》印发开始,沿用至2016版一直没有改变。为提请设计人员和《规范》编制专家注意它存在的几个概念性错误,尽管文献[4]已作介绍,现再补充分析如下。

图6 《规范》中消力池计算示意

(7)

(8)

(9)

(10)

式中:

d——消力池深度,m;

σ0——水跃淹没系数,可采用σ0=1.05~1.1;

α——水流动能较正系数,可采用1.0~1.05;

q——过闸单宽流量,(m3/s)/m;

b1和b2——消力池首端宽度和末端宽度,m;

T0——由消力池底板顶面起算的总势能,m;

Δz——出池落差,m;

这里存在几个问题:

3)T0不单是总势能,而应为由消力池底板顶面起算的水闸上游总势能与行近流速的动能之和。

(11)

5) 通常由决定消力池和海漫设计条件的,往往是在闸门控泄中小流量时。建议《规范》补充介绍闸下出流的合理计算方法,以确定式(3)中不同闸门开度的q。《规范》附录的A.0.3条显示的是闸下淹没出流,而不是消能设计所需的闸下自由出流,不能用于消能计算。

6) 流速系数φ选取对第2共轭水深的影响见表2[8],通常以φ以0.05为一级,由表2可见,若φ值选择偏小0.5,计算出第二共轭水深可能是合理计算值的92%~89%,常用的水跃淹没系数1.05~1.10往往不足以抵偿φ值的选择误差。建议《规范》根据近代研究成果,将各种不同闸门的门型、开度和闸后过流条件φ的合理参考值,补列在条文或附录内,供设计人员确定收缩断面水深参考使用。

表2 ξ1~φ~dξ2/dφ关系(ξ1=h1/h2,ξ2=h2/hk)

4 底流消能效果的讨论

《规范》2001和2016版用完全相同的文字指出“根据水工模型试验研究资料,如果下挖式消力池、突槛式消力池或综合式消力池设计得当,可消杀水流全部动能的40%~70%。其剩余能量对池后河床还可能造成冲刷,且池后单宽流量和流速还比较大,分布也不很均匀,甚至水流紊动还比较严重,因此紧接消力池还需设置海漫和防冲糟(防冲墙)”。笔者认为,这两版《规范》重复引用这个断语是不合适的,因为 “剩余能量对池后河床还可能造成冲刷”的消能设施,如本文开头所述,是不合格的。

设某工程闸底以上的水深H=8 m,消力池深3 m,取流速系数φ=0.90,动能改正系数为α=1.1;不同闸门开度泄流,在消力池出现临界水跃时,计算得消力池的消能率ηj(见表3)。由表3可看出,水闸在泄放单宽流量为15 m2/s时,消力池的消能率ηp不足40%,但第二共轭水深相应的平均流速约为2.5 m/s,消能效果相当好。对消力池而言跃后水流的能量中水深占比重很大,如下游水位不低于2-2断面水位,只要合理地设计好池尾与海漫始端流场的平顺衔接,出池水流绝对不会出现上述断语描述的:“单宽流量和流速还比较大,分布也不很均匀,甚至水流紊动还比较严重” ,“剩余能量对池后河床还可能造成冲刷”的现象。

其次,在《规范》反复地行用此断语,会造成严重的错觉:即使耗巨资设置的、设计得当的消力池,还会有剩余30%~60%的巨大动能的、“单宽流量和流速还比较大、分布不均匀、紊动较严重的水流”,从消力池尾进入海漫再流入下游河道,海漫和下游河道被冲刷是似乎是必然的,底流消能是危险和低效的。然而,建于平原区和滨海区冲积层的水闸包括大型水闸,采用设计得当的底流消能设施,能安全运用几十年者却大量存在。建议《规范》上述条文编审者对底流消能工程系统的机理作进一步的分析研究,认真总结现有用底流消能工程成功的经验。在《规范》中反复提出这种错误的断语,会严重地误导工程技术人员原谅自己的设计失误;建造出易受破坏的底流消能水闸工程。

表3 水闸不同开度时消力池按临界水跃计算的消能率

海漫后设防冲槽是必要的,但防冲槽(或防冲墙)绝对不是应对《规范》所述的,防止出池水流冲刷海漫的加固措施,而是应对一旦设计与实际出现脱节,紧接海漫后的河床出现变形和水位降低时,可以防止破坏马上延及海漫,争取必需的事故处理时间,根本不是加固和抵御挟30%~60%余能的出池水流对海漫的破坏。

《规范》称这断语是 “根据水工模型试验研究”总结的。可以肯定,这是在不完善或不合理的水工模型试验研究的得出结论。一些教科书或专业手册中,介绍池后海漫较高或有较高尾槛的两种消力池形式(如图7所示),它只是用于解析是形成水跃的方法,不宜直接引用于工程设计。图7a为通过抬高池尾海漫高程壅高消力池尾的水位,以減小池深;但如果出池的水面落差Δz过大,会导致出池水流与下游海漫始端水流仍存在较大的能量差,海漫上水流就会出现如上述条文说明所述的“流速还比较大、分布不均匀、紊动较严重”的恶劣流态,海漫必然易受冲毁,图4是这种不合理没计及破坏的典型。图7b所示为用加尾坎来形成消力池,亦仅仅解析了用加尾槛可抬高池内水位,能在消力池内形成淹没水跃。若真正用于工程设计,没有顾及到出池水流与下游海漫始端水流仍存在较大的能量差,甚至产生二次水跃,以此指导设计的消力池后海漫上的水流,亦必然会如上述条文说明所述的“流速还比较大、分布不均匀、紊动较严重”的恶劣流态,海漫必然易受冲毁。

a 抬高池尾型消力池

《规范》第4.4.2条只介绍用突槛抬高池内水位,完全不顾其后海漫的承受能力,没顾及海漫是否会出现恶劣的流态,以此指导消能设计显然是不合适的。

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