浅析水闸消能防冲

给排水设计与建设
2018年第19期
395
根据相关有效数据统计，截止目前，我国国内目前大中型水闸数量已有7000多座，其过闸流量可达8亿立方米每秒，随着时间的推移以及对相关病险水闸调查结果可知，大中型水闸的消能防冲设施损坏的异常严重。

因此，做好相应的消能防冲设施，对水闸的安全有很大的好处。

1　水流的特点
水流经过水闸流向下游时，可能具有较大的上下游水位差。

同时间孔宽度一般都小于上、下游渠宽，使流量比较集中，单宽流量加大。

因此，水流具有很大的动能，若不采取适当的消能防冲措施，势必冲刷下游渠道，甚至威胁闸的安全。

在设计中为了布置恰当的水闸消能防冲设施，以保证水闸在调度控制中安全运行，应对水流的特点及其消能防冲设计的要求有初步了解。

（1）水流流速较大，必须考虑下游消能问题。

平原地区水闸的水头一般较低，河（渠）槽土质抗冲能力较小，下游水位变化又较大，常采用底流式消能方式；但由于水闸的上下游水位基较小，经水流消能后有时流速仍然很大，仍有较大的剩余动能，对允许不冲流速较低的下游河床，常造成较为严重的冲刷。

（2）平原地区的水闸河道两岸宽阔，水流出闸时由狭处向宽处扩散，极易在下游产生回流，使主流在一段距离内受到挤压，甚至偏离原来的流向产生折冲水流.淘刷岸坡及河床。

多孔水闸常因闸门开启不当，形成折冲水流，冲毁消能防冲设施和下游渠道。

另外，上游渠段不顺直，来水流势不匀称，或下游冀墙布置不当，扩散角太大，也极易形成折冲水流。

因此，除应在设计水闸的消能防冲设施时，做好总体布置外，还应制定合理的控制调度方案。

（3）水闸流量大，当水闸上下游水位差小时，过闸水流常不能产生正常水跃，而形成一系列逐渐消失的水波，称为波状水跃，消能效果不佳，挟有剩余能量的水流会冲刷下游渠道，影响渠道的稳定性。

因此，在设计和控制调度中，应尽量避免产生波状水跃。

2　消能防冲措施
2.1　消力池的作用及构造
消力池是闸室下游消能防冲的主要结构物，位置紧围闸室，通常将护坦高程降低，形成下降式消力池。

末端尾槛的顶因高于海漫或下游河床时，就构成了综合式消力池。

消力池的作用是增加闸下游水深，促使过闸水流规范之内产生淹没水跃。

在池内形成相当紊乱的水流并相互撞击，从而达到消能效果，缩短下游河床的护砌长度。

消力池深度及长度的具体尺寸要通过消能计算来确定。

消力池护坦用钢筋混凝土建成，它依靠自身重量保持抗浮稳定，同时底板还要满足抗冲要求。

护坦最小厚度不能小于0.5mm，一般护坦采用等厚度，但也可沿水流方向逐渐减薄，护坦下游端厚度为上游端厚度的一半。

当水闸的防渗长度已经满足时，可通过在护坦水平段范围内布置排水孔的方式，排出闸基渗水，降低护坦底部的渗透压力，依此达到减小护坦厚度的目的。

排水孔直径—般为5-10mm，
孔距为1.0m 左右。

排水孔下设反滤层，孔内填碎石或无砂混凝土，达到将渗水排出而又不让渗水带走基底土壤颗粒的目的。

但是，在斜坡段范围之内不应布置排水孔，因为水流在该区下泄速度大，有可能在斜面上产生负压，使渗流出逸坡降增大而破坏地基。

需要注意的是在多沙河段上，这些排水孔易被泥沙堵塞，故不宜采用；消力池护坦要用C15或L20的混凝土浇筑而成。

在多沙河道上，为了抗磨损，在护坦表面要浇筑一层抗磨混凝土或其他抗磨材料。

抗磨混凝土层厚约10cm，用钢丝网和钢筋销系到护坦混凝土内。

消力池上游部分常用1：3-1：4斜底板或抛物线形底板与闸底板相连接。

消力池护坝在横水流方向上一般不分纵缝，以增强护坦的整体稳定性。

当水闸水头较高，护坦较长，必要时也可设置纵缝。

护坦在顺水流方向上分横缝，以减小温度应力，并位于施工，横缝间距一般为8-15m，要与闸室横缝间错布置、护坦与闸室底板接缝处应局部加厚，在加厚部分加设构造钢筋。

此接缝是温度缝，同时不允许缝的两侧有相互错动，特别要防止护坦顶面高出闸底板顶面。

因此，在接缝中要设置1-2道较强的水平向键槽，并设止水，重要的水闸应设两道止水。

护坦中如有横水流向的温度纵缝，在纵缝处护坦也需局部加厚，在缝中设键槽和止水，护坦中顺河向温度横缝，也要设较小的键槽，以防缝两侧相互错功，但护坦可不局部加厚，缝中要设止水。

护坦板内的应力一般较小，可按构造配筋，布置在靠近护坦顶向，护坦底面也要配置少量的构造钢筋，以承受水流冲击力。

在护坦上、下游端，即靠近与闸底板接缝处和下游端际墙处，要增加顺河向构造钢筋，因为接缝中有键槽传力，而下游端齿墙刚度较大，会产生顺河向应力。

2.2　消力坎
消力坎设在消力池末端，也称为层槛。

它除起到构成消力池的作用外，还可将水流流向水面，减小底部流速并有助于水流的扩散，避免下游两侧的回流，使流速更为均匀正常。

2.3　消力墩
消力墩多布置在消力池斜坡坡脚处，其作用是在平面上及钳直面内把水流分成许多小股，使水流互相碰撞消能。

消力墩的型式、尺寸及布置应通过试验确定，一般墩高可采用护坦上水深的0.15-0.25倍并不宜超过0.5-1.5，墩宽及各墩之间的净距可取墩高的—半或等于墩高，前后排消力墩的净距可比墩高稍大。

有些平原地区已建水闸的运用情况表明，如消力墩的布置和尺寸不当，不仅消能效果不显著，反而造成下游水流紊乱，冲刷岸坡和河床。

因此，平原地区近年来修建的低水头水闸中，消力墩已很少采用。

3　结语
水闸的消能防冲设施可靠性关系到建筑物的安全及下游河床河岸的稳定。

在建设过程中，首先要符合设计的要求，从工程的实际情况出发，考虑工程的运行和地质地形条件，结合消能防冲的各种形式加以分析比较。

在建设过程中，要不断地借鉴成功的工程经验，总结自身存在的不足，将理论与实践相结合，努力提高水闸消能防冲的建设水平。

浅析水闸消能防冲
王　晶
（中国水电建设集团十五工程局二公司，陕西　西安　710016）
摘　要：水闸在提闸放水时，由于存在上下游水位差，因此会产生很大的动能，极易造成闸室及下游建筑物的冲刷。

因此，应该
采取积极有效的消能防冲设施，以减少对水闸安全的威胁。

关键词：水闸；冲刷消能；防冲。