茹建輝

(廣東省水利廳,廣州 510635)

1 下游河道水位流量關(guān)系的確定

底流消能是水閘工程應(yīng)用最廣的消能形式，在水閘泄流時(shí)，若下游仍有足夠高的水位，保證水躍旋滾出現(xiàn)在消力池中或其上游，工程能安全地運(yùn)行。若在泄流時(shí)下游水位低于相應(yīng)的設(shè)計(jì)值，消力池不能形成水躍旋滾，流速較大的水舌將越過(guò)消力池尾，進(jìn)入海漫和下游河床，形成“遠(yuǎn)驅(qū)水躍”，沖毀下游的海漫和河道，破壞會(huì)繼續(xù)向上延伸危及消力池等主體工程。自上世紀(jì)以來(lái)，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閘的海漫甚至消力池被沖毀。工程下游水位是消能工程設(shè)計(jì)不可缺失的下游邊界，其選定合理與否是工程設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵；同樣下游水位流量關(guān)系是否在繼續(xù)下降，會(huì)不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)條件，也是工程能否安全運(yùn)用的關(guān)鍵。

遺憾的是，對(duì)工程下游河道水位及其變化趨向的研究與分析，這個(gè)及底流消能工程設(shè)計(jì)成敗的重大問(wèn)題，并末受到應(yīng)有的重視?！端l設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為《規(guī)范》)第5.0.8條只簡(jiǎn)單地提出:“當(dāng)下游水深大于臨界水深時(shí)，消力池計(jì)算見(jiàn)附錄B”，該條的條文解析稱(chēng):“要求出池河床水深大于臨界水深，否則消力池后將出現(xiàn)急流狀態(tài)，這是不符合設(shè)計(jì)要求的”[1]。

關(guān)于 “出池河床水深”問(wèn)題將在后面討論。眾所周知，臨界水深只是判斷水流流態(tài)的一個(gè)水力學(xué)指標(biāo)，與河床的抗沖能力完全沒(méi)有直接聯(lián)系。表1為一般水閘在中、小開(kāi)度泄流時(shí)，矩形河床的單寬流量q與相應(yīng)的臨界水深hk和臨界流速Vk的關(guān)系。根據(jù)對(duì)軟基河床水文測(cè)驗(yàn)資料初步統(tǒng)計(jì)分析證明，實(shí)際軟基河床的沖淤動(dòng)力平衡流速，可能不及臨界流速Vk的50%，用下游河床水深是否大于臨界水深來(lái)確定消能效果，似乎是毫無(wú)根據(jù)的。此外，水文測(cè)驗(yàn)資料還證明，砂質(zhì)河床的河道都是緩流，其上游河床的顆粒大于下游，其不沖流速或沖淤動(dòng)力平衡流速亦大于下游，但都遠(yuǎn)小于臨界流速。

表1 單寬流量與相應(yīng)的臨界水深和臨界流速的關(guān)系

因工程下游水位決定消能設(shè)施的成敗與工程安危，水閘下游水位流量關(guān)系的合理選擇，應(yīng)當(dāng)是消能設(shè)計(jì)必不可缺的重要內(nèi)容?！兑?guī)范》1984版有關(guān)底消能水力設(shè)計(jì)的第4.0.5條的條文及編制說(shuō)明中指出：“確定消力池設(shè)計(jì)的控制條件，情況是比較復(fù)雜的，它與水閘上下游水位差、過(guò)閘單寬流量、下游水位、閘門(mén)開(kāi)啟方式、閘門(mén)開(kāi)啟速度和下游水位能否迅速抬高等因素有關(guān)。在水閘設(shè)計(jì)中，應(yīng)詳細(xì)計(jì)算可能遇到的各種水位組合情況……”。這是該版《規(guī)范》編寫(xiě)的專(zhuān)家們總結(jié)了20世紀(jì)80年代以前，依據(jù)大量水閘工程設(shè)計(jì)和水閘工程安全運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)得出的結(jié)論，在當(dāng)時(shí)(河道未普遍出現(xiàn)下切)是完全正確的，對(duì)指導(dǎo)水閘正確地進(jìn)行消能水力設(shè)計(jì)起了很大的作用。遺憾的是《規(guī)范》自2001版開(kāi)始，把上述重要的指導(dǎo)性條文中有關(guān)必須重視下游水力邊界問(wèn)題弱化，到2016版第5.0.8條更簡(jiǎn)化為“底流式消能設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)水閘泄流條件進(jìn)行水力計(jì)算”，水閘泄流經(jīng)消能后的流場(chǎng)應(yīng)與下游平順銜接，盡可能不沖刷損毀下游河床，這是消能設(shè)計(jì)的目的。沒(méi)有消能設(shè)施下游水力邊界的可靠資料，沒(méi)有可靠的下游水位流量關(guān)系作為設(shè)計(jì)依據(jù)，消能水力計(jì)算根本不可能正確地進(jìn)行，沒(méi)有辦法保證建成的水閘下泄水流不會(huì)沖刷損毀下游海漫和河槽，并進(jìn)而向上發(fā)展危及消力池。

鑒于筆者未查到包括《規(guī)范》在內(nèi)的相關(guān)專(zhuān)業(yè)規(guī)范有對(duì)水閘工程下游水力邊界選定和變化分析的指導(dǎo)和要求，為保證工程設(shè)計(jì)安全，筆者不得不再次在此提出建議，供設(shè)計(jì)人員和《規(guī)范》編審專(zhuān)家參考。

1) 水文觀測(cè)資料證明，河道中任何斷面的水位與流量關(guān)系，都不是單一曲線，而是一組“繩套”狀的曲線族。

2) 對(duì)同一場(chǎng)洪水過(guò)程而言，在漲水期由于下游河道的槽蓄作用，使水位升高滯后于流量增加；而在來(lái)水流量逐漸減少的退水期，同樣因槽蓄作用使水位下降滯后于流量減少。故對(duì)同一流量而言，退水段水位流量關(guān)系曲線較漲水段高，一次洪水過(guò)程的水位流量關(guān)系是流量與水位成雙值對(duì)應(yīng)的“繩套”狀的曲線。

3) “繩套”的位置和張開(kāi)度不僅與該次洪水特性有關(guān)，還與前期水文條件有關(guān)。若前期發(fā)生過(guò)較大洪水，河槽刷深，“繩套”位置較低；當(dāng)前期連續(xù)干旱，河道部分淤高，“繩套”位置較高；若該次洪水歷時(shí)較長(zhǎng)和總量較大，“繩套”的張開(kāi)度較小；反之則張開(kāi)度較大。

4) 把同一站點(diǎn)歷次洪水水位流量過(guò)程線繪在同一圖上，就形成一組如上述流量與水位多值對(duì)應(yīng)的“繩套”曲線族。

5) 為保證在各種泄流條件下水躍均發(fā)生在消力池及其上游， 底流消能的水閘工程應(yīng)用“繩套”曲線族偏低值包絡(luò)線作為設(shè)計(jì)的下游水力邊界。

圖1為海南龍?zhí)了恼驹?0世紀(jì)70年代河道變化相對(duì)穩(wěn)定期時(shí)，3次洪水的水位流量過(guò)程線。由圖1可見(jiàn)， “繩套”位置變化不大；這幾次洪水總量較大，“繩套”的張開(kāi)度都較小，后期洪水過(guò)程線的位置略低于前期。由圖中可見(jiàn)，若以水深計(jì)算，該“繩套”曲線族的上、下包絡(luò)線與中值線之差約為±10%。圖2為廣東化州水文站1988—2001年4次洪過(guò)程線的“繩套”，由圖2可見(jiàn)，該站下游河槽正處于下切過(guò)程，尚未穩(wěn)定。若要在此類(lèi)河段建底流消能的攔河閘，還需補(bǔ)充資料，分析“繩套”最終穩(wěn)定的位置;當(dāng)現(xiàn)有資料尚不足以確定其穩(wěn)定位置時(shí)，應(yīng)考慮未來(lái)可能要采用穩(wěn)定閘后尾水位的補(bǔ)救措施。

圖1 龍?zhí)琳?0世紀(jì)70年代洪水水位流量關(guān)系示意

圖2 化州站1988—2001年洪水的水位流量關(guān)系示意

上述現(xiàn)象除再次提請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人員重視外，建議《規(guī)范》補(bǔ)充專(zhuān)門(mén)針對(duì)水閘設(shè)計(jì)所必需的、下游水位流量關(guān)系的分析和選擇指導(dǎo)性章節(jié)條文，以求更好地履行指導(dǎo)水閘設(shè)計(jì)的職責(zé)。因一般水閘工程下游都缺乏水文測(cè)站，下游的河道地形資料往往是在枯水季節(jié)測(cè)得，與行洪期的地形有相當(dāng)大的差異，不能把枯水期測(cè)量獲得的河道地形當(dāng)作“穩(wěn)定的”河道地形，直接用于工程設(shè)計(jì)，對(duì)此廣東省有過(guò)沉痛的教訓(xùn)。對(duì)上述水閘下游水位流量關(guān)系的確定、泄流量和下游不利水位遭遇選擇等方法問(wèn)題，未見(jiàn)有規(guī)范文件介紹，筆者以往已分別作過(guò)介紹，現(xiàn)再綜合建議于下：

1) 如前述，當(dāng)工程下游有水文站時(shí)，應(yīng)從其實(shí)測(cè)洪水過(guò)程水位流量關(guān)系的“繩套”狀的曲線族中，選取已趨向穩(wěn)定的、部分曲線族的漲水過(guò)程下包絡(luò)線，作為底流消能設(shè)計(jì)的下游水位流量關(guān)系線。

2) 目前大部軟基河流的河床都仍處在變化過(guò)程，即使在河道變化相對(duì)穩(wěn)定期，洪水期與訊前河床的地形是不完全相同的，尤其是臨近河口的河段，我們能獲得的基本上都是枯水期的河道地形資料，盡管按照歷版《水利計(jì)算規(guī)范》的要求，采用精確的水文或水力學(xué)計(jì)算方法，可以推導(dǎo)出下游水位流量關(guān)系的曲線族，除工作量大、絕大部分工程都無(wú)法支付這部分前期工作費(fèi)外，按洪水期地形修正計(jì)算成果的工作量更大，成果未必與計(jì)算方法的精度匹配。

3) 建議采用河道變形穩(wěn)定后的、行洪時(shí)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線，近似當(dāng)作“繩套”曲線族的中線；再參考鄰近水文站洪水過(guò)程曲線族的、中線與下包絡(luò)線的關(guān)系(如水深比值)，近似地確定工程洪水過(guò)程曲線族的下包絡(luò)線，作為底流消能設(shè)計(jì)的下游水力邊界。

2 海漫段的水力計(jì)算

《規(guī)范》有關(guān)底流消能的水力計(jì)算的要求，包括2016版(第5.0.8條)、2001版(第5.0.8條)和1984版(第4.0.5條)，都用幾乎完全相同的文字稱(chēng)：“底流式消能設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)水閘的泄流條件進(jìn)行水力計(jì)算，確定消力池的深度、長(zhǎng)度和底板厚度?！边@三版規(guī)范的 “消力池計(jì)算”圖中，都直接把消力池后的水深標(biāo)示為“出池河床水深”，把海漫的作用、設(shè)計(jì)內(nèi)容和對(duì)消能計(jì)算的影響完全忽略。

消力池是底流消能系統(tǒng)的重要組成部分，但不等于是它的全部，底流消能系統(tǒng)除消力池外，還應(yīng)包括海漫、防沖槽及彼此間的聯(lián)接。2016版《規(guī)范》有關(guān)消能防沖布置的第4.4.2條和水力設(shè)計(jì)5.0.8條的內(nèi)容，只提示了設(shè)計(jì)人員保證在消力池中能形成水躍，沒(méi)有顧及海漫及其上下銜接段的流態(tài)。實(shí)踐證明，以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)出的大量水閘底流消能工程，不可能是安全的。

圖3 底流消能在出現(xiàn)臨界水躍時(shí)的縱剖面示意

圖3為在臨界條件下一個(gè)較合理底流消能系統(tǒng)的縱剖面示意。水閘泄流后，先經(jīng)陡坡把下泄水舌的流速加大，并進(jìn)入有一定水深的消力池，經(jīng)消力池內(nèi)水躍漩滾消能后，水舌厚度增加和流速大幅度地降低。水流從消力池尾較平穩(wěn)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體內(nèi)的紊動(dòng)，將出池水流平面不均勻分布調(diào)整到設(shè)計(jì)所需，將縱向流速垂線分布調(diào)至接近對(duì)數(shù)曲形分布的常態(tài)，使出池水流的流場(chǎng)與下游河道的流場(chǎng)平順銜接，基本上達(dá)到不沖損海漫和下游河床的目的。由圖3可見(jiàn)，底流消能設(shè)計(jì)至少包含下述內(nèi)容：

1) 保證在任何泄流條件時(shí)，水躍出現(xiàn)在消力池內(nèi)或其上游。

2) 消力池末進(jìn)入海漫始端過(guò)程中，水位會(huì)有一定的跌落，能量有一定損耗，但不能過(guò)度增大2-2斷面和3-3斷面的水位差來(lái)抬高消力池的尾水位，這將加大海漫被沖毀的風(fēng)險(xiǎn)和消能壓力。

3) 海漫上水流的流速(特別在始段)不得大于海漫材料的抗沖能力。

可以肯定地說(shuō)，“對(duì)池后(海漫和)河床還可能造成沖刷”的底流消能工程設(shè)計(jì)，是不成功和不合格的。按第4)點(diǎn)要求，4-4和5-5斷面間各流線垂線的流速矢量大小和 分布應(yīng)基本相同；按第3)點(diǎn)要求，應(yīng)復(fù)核海漫上水流的流速，保證不會(huì)超過(guò)海漫材料的抗沖能力。海漫始端斷面3-3與末端斷面4-4斷面間的能量方程為[2]：

(1)

式中:

Δα3——海漫始端斷面動(dòng)能改正系數(shù)與流速按接近對(duì)數(shù)曲線分市的動(dòng)能改正系數(shù)之差，經(jīng)海漫粗糙表面調(diào)整后會(huì)很快歸零;

(2)

式中:

(3)

或：

(4)

若海漫沿程過(guò)水?dāng)嗝嬗型蛔儠r(shí)，3-3和4-4斷面間的能量方程應(yīng)根據(jù)斷面變化分段列出。

由式(4)可見(jiàn)，若海漫兩端的流速水頭差等于其間的水頭損失時(shí)，兩端水位持平;若海漫始端過(guò)水?dāng)嗝嫫《魉佥^大時(shí)時(shí)，其水位有可能低于河道下游水位。此時(shí)把海漫始端水位當(dāng)作躍后斷面的下游河床水位，可能導(dǎo)致實(shí)際水躍的淹沒(méi)度不足，嚴(yán)重者消力池內(nèi)可能出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍。

水躍后斷面2-2與海漫始端斷面3-3斷面間的能量方程為：

(5)

(6)

由式(6)可見(jiàn)，因海漫始端同時(shí)受脈動(dòng)壓力影響及自身材料抗沖能力限制，其始端流速v3數(shù)值應(yīng)在緩流范圍內(nèi)。如果用池尾設(shè)突檻來(lái)提高消力池底板高程，2-2與海漫始端斷面3-3斷面間的落差增大，兩斷面間可能要出現(xiàn)水流撞擊、漩滾、波涌等惡化流態(tài)的水力現(xiàn)象，甚至在海漫始端出現(xiàn)二次水躍，通常海漫的結(jié)構(gòu)材料是無(wú)法抵御二次水躍沖刷的。有些工程雖然用現(xiàn)澆混凝土或漿砌石來(lái)加強(qiáng)海漫始端的防護(hù)，若疏水性不足會(huì)加大消力池及其上游結(jié)構(gòu)的揚(yáng)壓力；另若此落差較大，海漫始端的水流流態(tài)惡化后，不易在正常設(shè)計(jì)的海漫范圍內(nèi)獲得改善，使流出海漫水流仍挾有一定的波涌和紊動(dòng)，沖刷和破壞海漫和下游河床，這已為大量工程事故證實(shí)。

《規(guī)范》有關(guān)消能防沖布置的第4.4.2條和水力設(shè)計(jì)5.0.8條的內(nèi)容，包括現(xiàn)有大量設(shè)計(jì)參考資，只提示了設(shè)計(jì)人員應(yīng)保證在設(shè)計(jì)的消力池形成淹沒(méi)水躍，沒(méi)看到有要保證出池水流與海漫始端的流場(chǎng)平順銜接的要求；沒(méi)看到有要保證海漫末端與原河道流場(chǎng)平順銜接的要求；沒(méi)有看到有要校核海漫各斷面流速，使之不超過(guò)海漫結(jié)構(gòu)材料抗沖能力的要求。消能防沖布置的第4.4.2條只推薦用不同突檻來(lái)形成消力池，抬高出池水位，置出池尾水流和海漫始端的流場(chǎng)銜接情況置之不顧；亦置海漫上的流態(tài)于不顧;按此指導(dǎo)設(shè)計(jì)出的底流消能系統(tǒng)肯定是不完備的，很可能在工程投產(chǎn)后海漫及下游河床會(huì)迅速出現(xiàn)沖刷破壞。圖4為廣東某大型水閘縱剖面示意及其次年破壞后的情況，設(shè)計(jì)中為減少消力池深度，將海漫始端表面設(shè)置在幾乎與原河床相同的標(biāo)高上，建成后投產(chǎn)次年，海漫始端的水平段全被沖毀。

通過(guò)上述分析，建議《規(guī)范》增加專(zhuān)章和條文，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意：

1) 底流消能的水力計(jì)算不能只滿(mǎn)足于消力池內(nèi)形成水躍，對(duì)海漫上的流速及其與上、下游流場(chǎng)的銜接條件復(fù)核，也應(yīng)是必不可缺的內(nèi)容。

2) 為達(dá)基本不沖刷下游的目的，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡量保證在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)以下泄放各種流量時(shí)，出海漫水流的流場(chǎng)與下游河道的流場(chǎng)應(yīng)平順銜接;即4-4和5-5斷面間過(guò)水面積大小基本接近，兩斷面間同一流線的垂線流速矢量分布應(yīng)基本相同。

3) 由式(6)可見(jiàn)，若海漫始端流速過(guò)大，則它與下游河床水位差亦增大;有時(shí)為保證海漫兩端流速差不致過(guò)大，往往需將海漫始端標(biāo)高降低，使其表面成如圖3所示的略成反坡?tīng)?。圖4所示的，縱向始端底部為水平狀的漿砌石海漫，因設(shè)置過(guò)高，即使在它與河床聯(lián)接段按歷版《規(guī)范》的要求加設(shè)了1∶10傾向下游的斜坡，海漫始端在建成不久即程沖毀破壞。

a 工程設(shè)計(jì)縱剖面

4) 若過(guò)度提高海漫始端的設(shè)置標(biāo)高，似可減少消力池的工程量，實(shí)際上會(huì)降低消力池下游水位和加深消力池底的高程，還會(huì)惡化海漫上的流態(tài)。海漫始端標(biāo)高不宜隨意設(shè)定，它與消力池底標(biāo)髙應(yīng)有一個(gè)不間斷地“設(shè)”和“計(jì)”的方案比較過(guò)程，最后選定的應(yīng)為水力條件和工程量雙優(yōu)方案。

5) 《規(guī)范》第4.4.2條提出全部設(shè)突檻消力池，相當(dāng)于利用突檻加大消力池尾的水深，無(wú)視海漫及其以后的流態(tài)，是不合理的。

6) 《規(guī)范》中列出的海漫長(zhǎng)度的計(jì)算式，基本上是引用南科院根據(jù)1955年水工試驗(yàn)研究會(huì)議學(xué)術(shù)討論文件匯編的《水工建筑物下游消能問(wèn)題》(第26～27頁(yè))，其應(yīng)用條件為“消能均已完善，翼墻擴(kuò)張角也較適宜”。宜在《規(guī)范》中補(bǔ)充海漫兩側(cè)不會(huì)出現(xiàn)回流的水面擴(kuò)散角控制值；海漫長(zhǎng)度應(yīng)延伸至能與兩岸連接處。

7) 在《規(guī)范》中與它所介紹的其他設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)同等精度地，介紹不同海漫結(jié)構(gòu)和材料在不同流態(tài)和不同水深條件下的抗沖能力，供設(shè)計(jì)人員參考。

3 消能水力計(jì)算

《規(guī)范》第5.0.8條規(guī)定：“底流式消能設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)水閘的泄流條件進(jìn)行水力計(jì)算，確定消力池的深度、長(zhǎng)度和底板厚度等”,這簡(jiǎn)單的陳述完全不足以指導(dǎo)水閘完整的消能水力計(jì)算。

首先，底流式消能水力設(shè)計(jì)必須包含上面提及的海漫上水力計(jì)算，確定海漫的長(zhǎng)度、底部的縱向和橫向的輪廓、選擇海漫的結(jié)構(gòu)材料和厚度，而不能只局限于消力池。筆者曾檢查過(guò)如圖4所示的幾宗消能設(shè)施出現(xiàn)破壞的工程設(shè)計(jì)文件，全都缺失這部分極其重要的內(nèi)容，都在投產(chǎn)后不久，海漫即被沖毀甚至禍及消力池。

其次，底流消能水力計(jì)算除選定不利的下游水位流量關(guān)系外，還要如《規(guī)范》84版的要求，“根據(jù)水閘的泄流條件進(jìn)行水力計(jì)算”，即尋找下泄流量與下游水位的最不利組合作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。因閘門(mén)提升速度遠(yuǎn)比洪水上漲速度快，通常要根據(jù)水閘初步擬定的開(kāi)啟程序，用上一序開(kāi)度末瞬的下游水位，與下一序開(kāi)度初瞬的流量遭遇，確定泄流量與下游水位最不利的遭遇曲線(如圖5所示)，以此作為海漫和消力池的水力計(jì)算的設(shè)計(jì)依據(jù)，取池深和池長(zhǎng)最大者為設(shè)計(jì)值；在某些情況下還需適當(dāng)調(diào)整閘門(mén)各序的開(kāi)度，進(jìn)行方案比較。

圖5 閘門(mén)下泄流量與下游水位遭遇示意

圖6為《規(guī)范》采用的消力池計(jì)算示意，式(7)～(10)為規(guī)范采用的消力池深度計(jì)算公式，因其自1984版《規(guī)范》印發(fā)開(kāi)始，沿用至2016版一直沒(méi)有改變。為提請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人員和《規(guī)范》編制專(zhuān)家注意它存在的幾個(gè)概念性錯(cuò)誤，盡管文獻(xiàn)[4]已作介紹，現(xiàn)再補(bǔ)充分析如下。

圖6 《規(guī)范》中消力池計(jì)算示意

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：

d——消力池深度，m；

σ0——水躍淹沒(méi)系數(shù)，可采用σ0=1.05～1.1；

α——水流動(dòng)能較正系數(shù)，可采用1.0～1.05；

q——過(guò)閘單寬流量，(m3/s)/m；

b1和b2——消力池首端寬度和末端寬度，m；

T0——由消力池底板頂面起算的總勢(shì)能，m；

Δz——出池落差，m；

這里存在幾個(gè)問(wèn)題：

3)T0不單是總勢(shì)能，而應(yīng)為由消力池底板頂面起算的水閘上游總勢(shì)能與行近流速的動(dòng)能之和。

(11)

5) 通常由決定消力池和海漫設(shè)計(jì)條件的，往往是在閘門(mén)控泄中小流量時(shí)。建議《規(guī)范》補(bǔ)充介紹閘下出流的合理計(jì)算方法，以確定式(3)中不同閘門(mén)開(kāi)度的q?！兑?guī)范》附錄的A.0.3條顯示的是閘下淹沒(méi)出流，而不是消能設(shè)計(jì)所需的閘下自由出流，不能用于消能計(jì)算。

6) 流速系數(shù)φ選取對(duì)第2共軛水深的影響見(jiàn)表2[8]，通常以φ以0.05為一級(jí)，由表2可見(jiàn)，若φ值選擇偏小0.5，計(jì)算出第二共軛水深可能是合理計(jì)算值的92%～89%，常用的水躍淹沒(méi)系數(shù)1.05～1.10往往不足以抵償φ值的選擇誤差。建議《規(guī)范》根據(jù)近代研究成果，將各種不同閘門(mén)的門(mén)型、開(kāi)度和閘后過(guò)流條件φ的合理參考值，補(bǔ)列在條文或附錄內(nèi)，供設(shè)計(jì)人員確定收縮斷面水深參考使用。

表2 ξ1～φ～dξ2/dφ關(guān)系(ξ1=h1/h2,ξ2=h2/hk)

4 底流消能效果的討論

《規(guī)范》2001和2016版用完全相同的文字指出“根據(jù)水工模型試驗(yàn)研究資料，如果下挖式消力池、突檻式消力池或綜合式消力池設(shè)計(jì)得當(dāng)，可消殺水流全部動(dòng)能的40%～70%。其剩余能量對(duì)池后河床還可能造成沖刷，且池后單寬流量和流速還比較大，分布也不很均勻，甚至水流紊動(dòng)還比較嚴(yán)重，因此緊接消力池還需設(shè)置海漫和防沖糟(防沖墻)”。筆者認(rèn)為，這兩版《規(guī)范》重復(fù)引用這個(gè)斷語(yǔ)是不合適的，因?yàn)?“剩余能量對(duì)池后河床還可能造成沖刷”的消能設(shè)施，如本文開(kāi)頭所述，是不合格的。

設(shè)某工程閘底以上的水深H=8 m，消力池深3 m,取流速系數(shù)φ=0.90，動(dòng)能改正系數(shù)為α=1.1;不同閘門(mén)開(kāi)度泄流，在消力池出現(xiàn)臨界水躍時(shí)，計(jì)算得消力池的消能率ηj(見(jiàn)表3)。由表3可看出，水閘在泄放單寬流量為15 m2/s時(shí)，消力池的消能率ηp不足40%，但第二共軛水深相應(yīng)的平均流速約為2.5 m/s，消能效果相當(dāng)好。對(duì)消力池而言躍后水流的能量中水深占比重很大，如下游水位不低于2-2斷面水位，只要合理地設(shè)計(jì)好池尾與海漫始端流場(chǎng)的平順銜接，出池水流絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)上述斷語(yǔ)描述的：“單寬流量和流速還比較大，分布也不很均勻，甚至水流紊動(dòng)還比較嚴(yán)重” ，“剩余能量對(duì)池后河床還可能造成沖刷”的現(xiàn)象。

其次，在《規(guī)范》反復(fù)地行用此斷語(yǔ)，會(huì)造成嚴(yán)重的錯(cuò)覺(jué)：即使耗巨資設(shè)置的、設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)南Τ?，還會(huì)有剩余30%～60%的巨大動(dòng)能的、“單寬流量和流速還比較大、分布不均勻、紊動(dòng)較嚴(yán)重的水流”，從消力池尾進(jìn)入海漫再流入下游河道，海漫和下游河道被沖刷是似乎是必然的，底流消能是危險(xiǎn)和低效的。然而，建于平原區(qū)和濱海區(qū)沖積層的水閘包括大型水閘，采用設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)牡琢飨茉O(shè)施，能安全運(yùn)用幾十年者卻大量存在。建議《規(guī)范》上述條文編審者對(duì)底流消能工程系統(tǒng)的機(jī)理作進(jìn)一步的分析研究，認(rèn)真總結(jié)現(xiàn)有用底流消能工程成功的經(jīng)驗(yàn)。在《規(guī)范》中反復(fù)提出這種錯(cuò)誤的斷語(yǔ)，會(huì)嚴(yán)重地誤導(dǎo)工程技術(shù)人員原諒自己的設(shè)計(jì)失誤;建造出易受破壞的底流消能水閘工程。

表3 水閘不同開(kāi)度時(shí)消力池按臨界水躍計(jì)算的消能率

海漫后設(shè)防沖槽是必要的，但防沖槽(或防沖墻)絕對(duì)不是應(yīng)對(duì)《規(guī)范》所述的，防止出池水流沖刷海漫的加固措施，而是應(yīng)對(duì)一旦設(shè)計(jì)與實(shí)際出現(xiàn)脫節(jié)，緊接海漫后的河床出現(xiàn)變形和水位降低時(shí)，可以防止破壞馬上延及海漫，爭(zhēng)取必需的事故處理時(shí)間，根本不是加固和抵御挾30%～60%余能的出池水流對(duì)海漫的破壞。

《規(guī)范》稱(chēng)這斷語(yǔ)是 “根據(jù)水工模型試驗(yàn)研究”總結(jié)的?？梢钥隙ǎ@是在不完善或不合理的水工模型試驗(yàn)研究的得出結(jié)論。一些教科書(shū)或?qū)I(yè)手冊(cè)中，介紹池后海漫較高或有較高尾檻的兩種消力池形式(如圖7所示)，它只是用于解析是形成水躍的方法，不宜直接引用于工程設(shè)計(jì)。圖7a為通過(guò)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過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致出池水流與下游海漫始端水流仍存在較大的能量差，海漫上水流就會(huì)出現(xiàn)如上述條文說(shuō)明所述的“流速還比較大、分布不均勻、紊動(dòng)較嚴(yán)重”的惡劣流態(tài)，海漫必然易受沖毀，圖4是這種不合理沒(méi)計(jì)及破壞的典型。圖7b所示為用加尾坎來(lái)形成消力池，亦僅僅解析了用加尾檻可抬高池內(nèi)水位，能在消力池內(nèi)形成淹沒(méi)水躍。若真正用于工程設(shè)計(jì)，沒(méi)有顧及到出池水流與下游海漫始端水流仍存在較大的能量差，甚至產(chǎn)生二次水躍，以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)的消力池后海漫上的水流，亦必然會(huì)如上述條文說(shuō)明所述的“流速還比較大、分布不均勻、紊動(dòng)較嚴(yán)重”的惡劣流態(tài)，海漫必然易受沖毀。

a 抬高池尾型消力池

《規(guī)范》第4.4.2條只介紹用突檻抬高池內(nèi)水位，完全不顧其后海漫的承受能力，沒(méi)顧及海漫是否會(huì)出現(xiàn)惡劣的流態(tài)，以此指導(dǎo)消能設(shè)計(jì)顯然是不合適的。