鞠福勇

(大連市普蘭店區(qū)河道管理處，遼寧 大連 116200)

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水閘防沖設(shè)施破壞機(jī)理存在問(wèn)題及設(shè)計(jì)研究

鞠福勇

(大連市普蘭店區(qū)河道管理處，遼寧 大連 116200)

深入研究水力學(xué)理論科學(xué)布置上下游水位的連接段及水閘等擋水建筑物的平面結(jié)構(gòu)，并制定設(shè)計(jì)合理精確的閘門操作制度，可以最大限度的保證水閘等擋水建筑物的安全運(yùn)行以及下游河床的安全穩(wěn)定，其最關(guān)鍵的問(wèn)題就是科學(xué)合理的設(shè)計(jì)水閘消能防沖設(shè)施。文章研究分析了水閘等擋泄水建筑物的破壞機(jī)理，并針對(duì)各個(gè)破壞問(wèn)題分析研究了對(duì)應(yīng)的解決措施僅供參考。文章以水力學(xué)理論、水閘的運(yùn)行特性為依據(jù)，系統(tǒng)分析并提出在設(shè)計(jì)實(shí)施水閘等擋水建筑物中應(yīng)該考慮的原則和注意事項(xiàng)，并為后續(xù)的水閘消能防沖設(shè)施的設(shè)計(jì)施工提供了一定建議。

水閘；消能防沖；破壞機(jī)理；消能池

1 目前國(guó)內(nèi)水閘建設(shè)概況

截至2000年，中國(guó)各省地市級(jí)政府水利部門管理的大型水閘和中型水閘共3700多座。主要包括：大型水閘486座(過(guò)閘流量>1000m3/s)、中型水閘3278座(1000m3/s<過(guò)閘流量>100m3/s以上)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，破壞嚴(yán)重的下游河道的擋水設(shè)施占全部大中型水閘的42.3%[1]。

目前國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)于水閘消能的研究，已經(jīng)較為深入廣泛。對(duì)于閘下沖刷破壞的研究顯示，產(chǎn)生此問(wèn)題的原因很多：消能設(shè)計(jì)條件不合理、閘門開啟不對(duì)稱、平面布置不合理、開啟速度過(guò)快等。國(guó)內(nèi)常選用最大單寬能量(E=ρgΔHq)作為水閘消能防沖的主要控制條件之一。上游水位和下游水位分別采取提閘泄水時(shí)的閘上最高擋水位和相應(yīng)于前一級(jí)開度泄量的下游河道水位及可能出現(xiàn)的最低水位。下游水位要把水位升高滯后于泄量增大的情況及閘門開啟過(guò)程中的非恒定流特性考慮在內(nèi)[2]。

消能防沖的設(shè)計(jì)條件采取的是恒定流的計(jì)算公式，選用門分級(jí)開啟逐級(jí)試算的方法找出最大單寬量(E=ρgΔHq),此算法導(dǎo)致消能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)常常選擇不當(dāng)，主要是閘門開啟過(guò)程中非恒定流水力要素規(guī)律的偏差。

以出閘流量、地質(zhì)條件的消能防沖要求為依據(jù)，水閘消能防沖設(shè)施主要包括海漫、海漫末端的防沖墻、水閘閘室下游的消力池(護(hù)坦)。

消力池(護(hù)坦)的主要作用是消除下泄水流的動(dòng)能，并使得下泄急流迅速變?yōu)榫徚鳌?/p>

海漫的主要功能是消除經(jīng)過(guò)消力池(護(hù)坦)流出的水流的剩余動(dòng)能，調(diào)整流速使水流均勻流出，使得經(jīng)過(guò)消力池(護(hù)坦)流出的水流與下游河道水流順利對(duì)接。而以防海漫末端被水流沖刷淘空是海漫末端防沖墻的主要作用[3]。

2 水閘消能防沖設(shè)施破壞機(jī)理存在問(wèn)題

2.1 水閘設(shè)計(jì)存在問(wèn)題

1)消力池(Stillingbasin)傾斜、倒塌的破壞：我國(guó)地大物博目前地質(zhì)勘探工作覆蓋面有限，有些工作了解不到位如河床土質(zhì)物理力學(xué)性指標(biāo)、閘基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中存在的地質(zhì)問(wèn)題等引起。

2)水閘的樞紐非理性布置，從而產(chǎn)生回流、偏向水流。

3)消能防沖設(shè)施受到?jīng)_刷破壞：上游河床的泥沙不斷淤積及整治段偏短引起過(guò)閘單寬流量不合理而導(dǎo)致。

4)消能防沖設(shè)施磨損、基礎(chǔ)淘刷及氣蝕：由于消能設(shè)計(jì)不符合消能防沖要求使出閘水流的水流條件及流態(tài)受到影響。

5)由于水閘防滲排水設(shè)計(jì)缺陷引起的一系列問(wèn)題如：下游擋水設(shè)施破壞、流土遭到破壞、消力池底板開裂、地基變形等。

此外，在水閘設(shè)計(jì)中水力計(jì)算方法及參數(shù)取用存在問(wèn)題，海漫長(zhǎng)度和防沖墻深度，消力池(Stillingbasin)的長(zhǎng)度、深度存在問(wèn)題等也引起消能防沖設(shè)施的破壞[4]。

2.2 工程施工質(zhì)量及管理存在缺陷

由于工程施工過(guò)程程序復(fù)雜導(dǎo)致并沒有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工或者施工監(jiān)管不嚴(yán)格；混凝土澆筑瑕疵不達(dá)標(biāo)、消能防沖設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸不達(dá)標(biāo)、過(guò)水部分粗糙、未按時(shí)進(jìn)行修理修繕使得在水閘運(yùn)行時(shí)造成擋水設(shè)施的破壞。

在水閘運(yùn)行管理沒有設(shè)計(jì)嚴(yán)格的制度及措施或者執(zhí)行不到位，未能按時(shí)維護(hù)小問(wèn)題未及時(shí)得到妥善處理逐步導(dǎo)致重大損失。水閘運(yùn)行時(shí)未按照嚴(yán)格的閘門操作流程執(zhí)行，閘門開啟存在問(wèn)題導(dǎo)致流速和局部單位寬度水流量過(guò)大引起消力池(護(hù)坦)內(nèi)形成不良流態(tài)造成淘刷及磨損等嚴(yán)重后果。在運(yùn)行時(shí)未得到確切論證就擅自改變運(yùn)用條件導(dǎo)致下游河床嚴(yán)重沖刷和擋水設(shè)施結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p壞引起一系列嚴(yán)重問(wèn)題必須引起高度重視。

3 水閘消能防沖設(shè)計(jì)研究

一般水閘的過(guò)閘流量、泄洪方式以及上游水位與下游水位等常常是變化各異的，結(jié)合水閘的運(yùn)行要求、水閘的消能防沖等一系列擋水設(shè)施無(wú)論在何種水力條件都應(yīng)符合均勻擴(kuò)散水流和水流消散動(dòng)能的要求。

另外因?yàn)樗鬟^(guò)閘時(shí)具有較大的動(dòng)能，水閘的寬度低于河道的寬度，使得水流過(guò)閘量較為集中時(shí)，單位寬度的水流量加大導(dǎo)致水流動(dòng)能增大，從而設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的設(shè)施使過(guò)閘水流與下游河道有較好的水流對(duì)接。

對(duì)此建議水閘消能防沖設(shè)施的設(shè)計(jì)需要遵循以下原則：

1)過(guò)閘水流流速一般較大而且紊動(dòng)激烈，須把下游水位的消能問(wèn)題考慮在內(nèi)。若水閘抗沖能力小、水頭低、下游水位變化大建議采用底流式消能。

2)消力池(護(hù)坦)或其他消能設(shè)施應(yīng)盡可能的滿足水躍共軛水深。

3)對(duì)于在下游消能防沖設(shè)施的過(guò)閘水流形成波狀水躍或沖刷下游河道應(yīng)該高度重視并采取安全措施。

4)以水力設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)制定閘門控制運(yùn)用方式來(lái)保證工程安全。避免由于閘門控制運(yùn)用失誤產(chǎn)生水流折沖或水流集中等危險(xiǎn)流態(tài)而造成沖刷損壞。

消力池(護(hù)坦)的主要形式有3種:尾坎式消力池(即在護(hù)坦高程末端修建消能坎，形成的平底消力池)、挖深式消力池(護(hù)坦高程降低后形成的消力池)綜合式消力池(既有挖深又筑有低坎的消力池型式，較為常用)[5]。

在水閘設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)河道的實(shí)際地質(zhì)物理力學(xué)性指標(biāo)、河道的上游水位與下游水位差值、單位寬度的最大水流量、水閘流量等情況綜合起來(lái)并合理的選擇消力池(護(hù)坦)形式。同時(shí)依照相關(guān)要求合理計(jì)算消力池的長(zhǎng)度與深度和厚度。并計(jì)算水閘在運(yùn)行過(guò)程中，消力池必須承受揚(yáng)壓力、脈動(dòng)壓力及高速過(guò)閘水流的沖擊力，所以消力池必須具有一定強(qiáng)度的抗沖能力應(yīng)對(duì)高速過(guò)閘水流的沖擊力還應(yīng)該滿足抗浮的穩(wěn)定性要求。

在具體的設(shè)計(jì)施工中，經(jīng)常會(huì)忽略消力池(護(hù)坦)深度與出閘流量之間的關(guān)系，認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤慣性思維認(rèn)為在過(guò)閘流量最大時(shí)消力池(護(hù)坦)深度也最大，因而引起計(jì)算失誤。在消力池(護(hù)坦)相關(guān)深度的確定值計(jì)算時(shí)，應(yīng)該根據(jù)已有水閘數(shù)據(jù)假設(shè)過(guò)閘流量的不同值并算出每個(gè)值對(duì)應(yīng)的消力池(護(hù)坦)深度，并綜合比較確定最大值作為消力池(護(hù)坦)的深度。另外也可以畫出關(guān)系曲線(消力池的深度與過(guò)閘水流的流量關(guān)系曲線)從而確定消力池(護(hù)坦)的深度的確定值。

流出消力池(護(hù)坦)的水流對(duì)河床仍有較強(qiáng)的沖刷能力，在消力池(護(hù)坦)抵消水的一部分動(dòng)能之后，但也由于其他原因使得消力池(護(hù)坦)的水流底部流速較大沒有達(dá)到正常流態(tài)。因此為了避免河道的嚴(yán)重沖刷，消力池以下的河道應(yīng)該使用堅(jiān)硬的巖基還要設(shè)置海漫護(hù)底來(lái)抵抗沖擊力。

在對(duì)海漫設(shè)計(jì)實(shí)施中必須要控制好單位寬度內(nèi)最大的水流量和水流的擴(kuò)散度。消力池(護(hù)坦)末端河道的土質(zhì)情況和單位寬度內(nèi)最大的水流量并結(jié)合對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算得出海漫長(zhǎng)度。在下游河道的沖擊力較小時(shí)一般選用水平的海漫形式，在下游河道的沖擊力較大時(shí)選用傾斜的海漫形式?；蛘卟捎媒Y(jié)合式即前面一段水平后面一段傾斜。

選用傾斜海漫時(shí)一般斜坡采用≤1∶10。由于海漫功能所以海漫應(yīng)具有較強(qiáng)的河道的沖擊力、表面粗糙性、柔性和透水性。海漫的抗河道的沖擊力是為了保護(hù)河道并保證海漫不被水流沖擊破壞。海漫的表面粗糙性的功能是抵消除水流的剩余動(dòng)能。海漫的柔性是保證海漫在一定范圍內(nèi)可以順應(yīng)河道的變化。海漫的透水性是保證抵除來(lái)自底部的滲透壓力。

一般情況下應(yīng)該在海漫的末端增加設(shè)置一道海漫的防沖設(shè)施，因?yàn)榱鞒龊Ｂ┒说乃魅匀挥幸欢ǖ臎_擊力也會(huì)在一定程度上影響海漫等消能設(shè)施結(jié)構(gòu)的安全。

通常情況下海漫防沖墻采用重力式擋土墻形式(海漫頂面應(yīng)該和墻頂齊平，墻底高程決定于開挖施工、沖刷深度等條件)。以水閘設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算確定海漫防沖墻深度，在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)河道地基土顆分曲線確定河床土質(zhì)允許不沖流速[6]。

在實(shí)際情況中如果得值過(guò)大使得海漫防沖墻施工經(jīng)濟(jì)壓力大而且施工難以進(jìn)行，那么可以結(jié)合現(xiàn)有成功的案例工程合理確定海漫防沖墻深度。

4 結(jié) 論

科學(xué)合理的設(shè)計(jì)水閘消能防沖等擋水設(shè)施的保證其安全運(yùn)行以及下游河道的安全穩(wěn)定。在整個(gè)安全設(shè)計(jì)的進(jìn)程中，務(wù)必要符合設(shè)計(jì)要求并且要以實(shí)際情況為依據(jù)充分地把地質(zhì)力學(xué)條件、消能防沖的各種安全運(yùn)行方式以及水閘等擋水設(shè)施的安全運(yùn)行考慮到位。

在水閘等擋水建筑物的施工階段，應(yīng)該要仔細(xì)研究成功的水閘案例，確保保質(zhì)保量監(jiān)管到位隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要進(jìn)行及時(shí)妥善的處理，才能不斷提高水閘消能防沖的科學(xué)合理設(shè)計(jì)的水平。

深入研究水力學(xué)理論科學(xué)地布置上游水位與下游水位的連接段及水閘等擋水建筑物的平面結(jié)構(gòu)，科學(xué)詳細(xì)的分析過(guò)閘水流的力學(xué)性質(zhì)并精確計(jì)算海漫、海漫末端的防沖墻、下游的消力池各部位的數(shù)據(jù)，同時(shí)制定設(shè)計(jì)合理精確的閘門操作制度，最大限度的保證水閘等擋水建筑物的安全運(yùn)行并使得盡量減少下游沖擊引來(lái)的危害，必須保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

[1]袁庚堯,余倫創(chuàng).全國(guó)病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固專項(xiàng)規(guī)劃綜述[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2003,22(03):6-9.

[2]李占松,高雙聚,楊玲霞.平原區(qū)水閘下游消能防沖與閘門控制運(yùn)行[J].水利水電科技進(jìn)展,2011(05):19-21.

[3]袁劍軍.土石壩防滲墻黏土混凝土材料的工程應(yīng)用初探[J].水利建設(shè)與管理,2013(02):33-35.

[4]艾斯卡爾·吾休爾.水閘消能防沖設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].黑龍江水利科技，2014,10(42):117-118.

[5]文恒,智泓,牟獻(xiàn)友.水閘消能防沖設(shè)計(jì)條件的確定[J].水利水電科技進(jìn)展，2015,25(06):11-20.

[6]陳立新,聶世虎,王子朝.水閘深度與長(zhǎng)度計(jì)算中應(yīng)注意的問(wèn)題[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2005(04):16-19.

1007-7596(2016)10-0079-03

2016-09-14

鞠福勇(1972-)，男，遼寧大連人，工程師，研究方向?yàn)楹拥乐卫砼c管理、水利工程施工、監(jiān)理、水利工程管理等。

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