第三节 水闸的消能防冲设计

第三节水闸的消能防冲设计

一闸下泄流的特点和闸下冲刷的原因

1.闸下泄流的特点

(1)分洪闸

开始泄流时下游无水或水位很低

始流条件差：Qmax→⊿Zmax

水位升高，Fr较小，易产生波状水跃；

进口流态不对称时会产生折冲水流。

(2)节制闸

闸门开启不对称时会产生折冲水流；

水头最大时流量并非最大，流量最大时水头最小。

2.闸下冲刷的原因

q大而土壤的抗冲刷能力低；

河道收缩，水流未充分扩散；

运用不合理，产生折冲水流；

消能工设计不合理。

二消能工设计

消能工的主要作用是改善水流与固体边界的接触条件，防护加固下游河床。

消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下，都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且应与下游河道有良好的衔接。

1.消能方式：

大多数采用底流消能，“ 我国已建的大、中型水闸，多数建在平原、滨海地区，一般在软基上建闸，且承受的水头不高，闸下跃前Fr 较低，宜采用底流式水跃消能。”

⒉消力池布置与设计：

造成产生淹没式水跃必需的尾水深度，保护水跃内河床免受冲刷。

⑴设计情况：不同类型的水闸，其泄流特点各不相同，因此控制消能设计的水力条件也不尽相同，并不一定是Qmax的情况，应选取可能的q、⊿H的组合，取不利情况。

拦河节制闸宜以在保持闸上最高蓄水位的情况下，排泄上游多余来水量为控制消能设计的水力条件；

分洪闸宜以闸门全开，通过最大分洪流量为控制消能设计的水力条件；

排水闸宜以冬、春季蓄水期通过排涝流量为控制消能设计的水力条件；

挡潮闸宜以蓄水期排泄上游多余来水量时，有时需用闸门控制泄水，上、下游可能出现较大的水位差作为控制消能设计的控制条件。

⑵计算消力池长度、深度及消力池底板的厚度

（a）消力池深度：按水跃动量平衡方程求解

（b）消力池的长度：用经验公式计算：

式中

L sj为消力池长度；

L s为斜坡段的水平投影；

β为水跃长度校正系数，一般取0.7～0.8；

L j为水跃长度，新规范中推荐采用欧勒佛托斯基公式计算：

（c）消力池护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别按规范中以下公式计算，取其最大值，且不小于0.5m：

抗冲：

抗浮：

3.布置

(1)下挖式消力池、突槛式消力池和综合式消力池是底流式消能的三种主要形式。

(2)下挖式消力池与闸室底板之间直接用斜坡段连接即可，规范规定消力池斜坡段坡度不应陡于1：4。

(3)倾斜段不宜设排水孔，护坦后部设铅直排水孔以降低池底板渗透压力，并在该部位底面铺设反滤层。

三.辅助消能工

1.作用：(1)加大水流阻力；

(2)加强水流紊动和撞击；

(3)稳定水跃；

(4)利于扩散水流

2.类型:消力墩，池首坎，消力梁，散流墩等

四.上下游防护

1.闸下防冲设施：

（a）海漫：紧接护坦，进一步消除余能，调整流速分布，达到不冲流速；

要求：抗冲、有一定柔性、表面粗糙、透水；

材料：浆砌石、干砌石；

长度：按南科院提出的经验公式计算。

布置：浆砌石布置在海漫前部，厚度为30～50cm，其抗冲能力较高，抗冲流速一般为3～6m/s，浆砌块石内应设排水孔，底部设反滤层或垫层；

干砌块石布置在海漫的后部，其下部一般铺设10cm的碎石垫层设反滤层，规范规定干砌块石海漫应做成等于或缓于1：10的斜坡。

(b)防冲槽:海漫末端设大块石防冲槽：限制冲刷向上游扩展，保护海漫。深度一般为1.0～2.0m，上下游坡度可采用1：2～1：4。

2.下游两岸护坡长度应大于护底长度

图9-7 海漫布置及其流速分布示意图

图9-8 防冲槽示意图

3.上游防护：

（1）齿墙/防冲槽→护底→铺盖

（2）为了防止水流冲刷，必要时上游护底首端应设防冲槽（或防冲墙），其深度一般采用1.0m即可。因此，修订后的新规范增列了上游护底首端河床冲刷深度的计算公式（B.3.2）：