孔慶陽(yáng)，喬婧，丁偉，趙明

（1.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 連云港 222006；2.東?？h引淮入石芝麻電力翻水站，江蘇 連云港 222300）

1 引言

傳統(tǒng)水閘底流消能防沖方法常常會(huì)造成消能不充分的問(wèn)題，同時(shí)在水躍后端常常會(huì)出現(xiàn)紊動(dòng)能、下行波動(dòng)大的問(wèn)題，會(huì)進(jìn)一步加大對(duì)防沖槽的沖擊，造成安設(shè)的防沖設(shè)施出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象[1-2]。因此，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者紛紛對(duì)消能裝置展開(kāi)研究，國(guó)外學(xué)者闡述了能量概念在結(jié)構(gòu)消能裝置設(shè)計(jì)中的重要性，并基于損傷控制的概念，提出了一種將多自由度體系轉(zhuǎn)化為非彈性范圍內(nèi)的等效單自由度模型的顯式方法，以便在有無(wú)附加裝置的情況下，方便地進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)估。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)北溪閘下游消能防沖設(shè)施存在的主要問(wèn)題，運(yùn)用理論分析和模型分析其原因?qū)嶒?yàn)。通過(guò)方案比較，這些措施都是為解決工程存在的幾十年安全隱患而采取的，其中主要包括：消力池水躍消能、延伸加筋護(hù)坦及防沖槽除險(xiǎn)加固。也有學(xué)者針對(duì)平原地區(qū)水閘消能防沖運(yùn)行的特點(diǎn)，在理論分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出消力池最大水深的計(jì)算公式液壓系統(tǒng)。根據(jù)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及消能防沖所需的水流條件，繪制了泄水閘運(yùn)行控制曲線，并根據(jù)該曲線繪制了水閘運(yùn)行控制曲線。上述方法在一定程度上減少了防沖設(shè)施被損壞的情況，但是為了保證建筑物及樞紐正常運(yùn)行，要求做到消能工本身不受空蝕（物體受到氣體空泡流沖擊后表面出現(xiàn)的變形和材料剝蝕現(xiàn)象）、磨蝕等損傷，下游岸坡穩(wěn)定，河床不出現(xiàn)危害性沖刷。對(duì)此，本文在充分考慮水躍原理的基礎(chǔ)上，將開(kāi)展基于水流流態(tài)分析的水閘底流消能防沖設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)水閘底流消力池，通過(guò)增設(shè)消力池和在海漫的末端位置設(shè)置防沖槽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘底流的消能防沖作用，最終通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法底流的消能更加充分，降低了底流流速。

2 基于水流流態(tài)分析的水閘底流消能防沖設(shè)計(jì)

2.1 基于水流流態(tài)分析的水閘底流消力池設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘底流消能防沖，本文結(jié)合水流流態(tài)分析方法對(duì)水閘底流消力池進(jìn)行設(shè)計(jì)。消力池的結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同水閘類型進(jìn)行調(diào)整，一般情況下消力池分為消力坎式和綜合式兩種結(jié)構(gòu)[3-4]。增設(shè)水閘底流消力池的目的是將泄水過(guò)程中水流產(chǎn)生的能量消耗，進(jìn)而形成水躍，將原本存在的水躍條件淹沒(méi)。通常情況下，水閘的內(nèi)側(cè)水位要比外側(cè)水位更低，因此在對(duì)消力池設(shè)計(jì)時(shí)，本文采用將水閘底流水深與水流流態(tài)關(guān)系作為基本計(jì)算依據(jù)。按照水閘閘孔開(kāi)孔的數(shù)量以及開(kāi)啟的高度不同，對(duì)消力池進(jìn)行分檔開(kāi)啟設(shè)置，通過(guò)水閘閘孔的具體位置，對(duì)水流流態(tài)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)公式得出水閘不同開(kāi)啟孔數(shù)與開(kāi)啟度所需要的消力池深度，公式如下：

公式（1）中，L表示為閘孔位置的水流流態(tài)；K表示為分檔高度；δ表示為孔流淹沒(méi)系數(shù)；μ表示為孔流流量系數(shù)；m表示為孔口高度；g表示為水躍淹沒(méi)系數(shù)；M表示為水閘整體高度。根據(jù)公式（1）得出的閘孔位置的水流流態(tài)，對(duì)消力池的各尺寸進(jìn)行計(jì)算。首先對(duì)消力池的總勢(shì)能進(jìn)行計(jì)算：

公式（2）中，T表示為由消力池底部到頂板的總勢(shì)能；h1表示為消力池在水躍前的水深；φ表示為消力池的流速系數(shù)，通常情況下φ取值為0.86。再對(duì)消力池在水躍后的水深進(jìn)行計(jì)算：

公式（3）中，h2表示為消力池在水躍后的水深；α表示為水流動(dòng)能校正系數(shù)；c1表示為消力池最末端的寬度大?。籧2表示為消力池最前端的寬度大小。再對(duì)消力池出池水位落差進(jìn)行計(jì)算：

公式（4）中，ΔE表示為消力池出池水位的落差大小。再對(duì)消力池池深進(jìn)行計(jì)算：

公式（5）中，d表示為消力池的池深。根據(jù)上述公式得出在達(dá)到預(yù)計(jì)消能防沖效果下，消力池各個(gè)尺寸大小。本文采用消力坎式消力池，在護(hù)坦結(jié)構(gòu)上設(shè)置消力坎，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，完成對(duì)水閘底流消力池設(shè)計(jì)。

圖1 水閘底流消力池設(shè)計(jì)

2.2 水閘底流海漫與防沖槽搭建

針對(duì)消力池消能后底流中剩余的能量，本文采用海漫與防沖槽搭建的方法將剩余能量盡可能的消除，并調(diào)整在消力池中水流的流速分布，從而恢復(fù)原本水流的狀態(tài)，降低底流對(duì)河床造成的不利影響。首先從海漫的功能需求角度出發(fā)，海漫的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備一定的柔韌性，并保證較高的表面粗糙程度[5-7]。其次對(duì)海漫的長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合水閘整體涉及的各項(xiàng)因素。通常情況下，海漫外側(cè)的水位相對(duì)較高，因此還需要增設(shè)防滲裝置，在海漫外側(cè)利用鋼筋混凝土材料對(duì)其進(jìn)行防滲加固處理，在實(shí)際施工過(guò)程中保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的厚度不低于0.45 m。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘底流消能防沖處理，還需要在海漫的末端位置設(shè)置防沖槽結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 海漫的末端位置設(shè)置防沖槽結(jié)構(gòu)

防沖槽的作用與海漫相同，主要用于保證河床以及水閘閘室的安全[8-10]。防沖槽的尺寸大小應(yīng)當(dāng)按照水閘底流可能產(chǎn)生的沖刷深度設(shè)置，防沖槽的下游坡率選取比例為2∶1。在防沖槽中放置石塊，保證其體積比水閘底流沖刷后護(hù)坡石塊的方量更大。

根據(jù)實(shí)際情況的不同需要，還可以設(shè)置與防沖槽類似的防沖結(jié)構(gòu)，例如尾坎、消力墩等。在防沖槽實(shí)際應(yīng)用中，下游的消能防沖設(shè)施會(huì)進(jìn)行不斷地改建以適應(yīng)下游水位的變化，因此應(yīng)當(dāng)選擇大型防沖槽，壅高下游水位，從而抵抗下游水位在大幅度降低的過(guò)程中造成對(duì)水閘、河岸的沖刷[10-12]。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘底流的消能防沖作用，還應(yīng)當(dāng)在控制底流沖刷的過(guò)程中，控制下游水位的下降。通過(guò)護(hù)岸、護(hù)底的方式，抑制水閘底流沖刷的發(fā)展，并通過(guò)縮窄河寬、減小水流的方式，在保證流量一定的情況下，增加下游過(guò)流水深。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

選取某地區(qū)水閘作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該水閘類型為中型擋潮排澇水閘，由于該水閘使用時(shí)間較長(zhǎng)，因此需要進(jìn)行重建。

水閘現(xiàn)有結(jié)構(gòu)采用9孔×4.5 m的布置尺寸，其總寬度達(dá)36.24 m，水閘底檻高程為-1.35 m，水閘頂高程為6.25 m，上游連接段與下步河相互連接，下游出口處與外海相互連接。

分別利用本文提出的基于水流流態(tài)分析的水閘底流消能防沖方法與傳統(tǒng)水閘底流消能防沖方法，為該水閘在泄水過(guò)程中的消能防沖進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)改變水閘的開(kāi)度大小，對(duì)水閘底流流速值進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果與水閘末端水流流速進(jìn)行比較，若流速更接近則說(shuō)明消能防沖效果更好。分別設(shè)置水閘開(kāi)度為0.25 e/m、0.40 e/m、0.74 e/m、1.34 e/m和1.58 e/m，5種水閘開(kāi)度，分別利用本文方法設(shè)計(jì)的消能防沖方法與水庫(kù)表孔低水頭大單寬流量消能方式完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并比較兩種方法的消能防沖效果，如表1所示。

表1 兩種方法消能防沖效果對(duì)比表

為方便對(duì)比兩種方法消能防沖效果，將表1中的數(shù)據(jù)用圖3進(jìn)行表述。

圖3 消能防沖效果對(duì)比結(jié)果

綜合表1中的數(shù)據(jù)和圖3可知，將本文方法與水庫(kù)表孔低水頭大單寬流量消能方式分別與水閘末端水流流速值進(jìn)行比較，由于本文在進(jìn)行一、二級(jí)消力時(shí)形成了強(qiáng)迫水躍，使得對(duì)底流的消能更加充分，降低了底流流速，保證水流與水閘底流銜接更加平順，達(dá)到了削減水能、平緩水流的目的，因此本文方法的底流流速值在1.4 m/s以下，與水閘末端水流流速值更接近，而水庫(kù)表孔低水頭大單寬流量消能方式的底流流速值隨著水閘開(kāi)度的增加而變大，最高可達(dá)3.39 m/s，因此通過(guò)對(duì)比可知本文方法有效降低了水閘底流與末端水流之間的勢(shì)能差。

為進(jìn)一步驗(yàn)證兩種方法底流消能防沖設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)建筑設(shè)施的安全以及下游河床穩(wěn)定性的作用，對(duì)比兩種方法在5次實(shí)驗(yàn)中，每次消能防沖后水流對(duì)河床的沖擊程度，得到河床沖擊對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 河床沖擊對(duì)比結(jié)果

由圖4可知，由于本文在底流消能防沖設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)消力池消能后底流中剩余的能量，利用海漫與防沖槽搭建的方法將剩余能量盡可能的消除，并調(diào)整在消力池中水流的流速分布，降低底流對(duì)河床造成的不利影響，因此，本文方法對(duì)河流的沖擊影響程度在20 %以下，相較于水庫(kù)表孔低水頭大單寬流量消能方式較低。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于水流流態(tài)分析的水閘底流消能防沖方法具有更好的效果，可用于對(duì)水閘泄水過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)河床的保護(hù)。

4 結(jié)論

在對(duì)水閘設(shè)計(jì)時(shí)，其底流消能防沖設(shè)計(jì)是尤為重要的，關(guān)系到整個(gè)建筑設(shè)施的安全以及下游河床的穩(wěn)定。本文通過(guò)對(duì)消能防沖的基本原理進(jìn)行探究，提出一種全新的基于水流流態(tài)分析的水閘底流消能防沖方法。在其實(shí)際施工過(guò)程中，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程的主要目的、水閘運(yùn)行方式、周圍地形結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，結(jié)合消能防沖的各種形式加以分析，從而選擇最適合的消能防沖方案，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本文方法可以有效降低底流的勢(shì)能，為水閘底流消能防沖設(shè)計(jì)提供參考。