加糙陡坡技术在穿堤建筑物中的应用

1前言

安徽省长江干流堤防总长765km ，与江堤形成闭合圈的支流堤防长度230km ，合计总长995km ，直接保护着沿江1000多万人口，60万hm 2亩农田和合肥、芜湖等重要城市以及工矿企业和国家诸多重要基础设施等，长江两岸堤防可以说是安徽重要的经济生命线。

安徽省沿江两岸共有穿堤建筑物逾千座，1998年大水后，列入国债资金项目的就有362座。穿堤建筑物为历年防汛工作的重点，其安全与否直接关系着堤后广大人民群众的生命财产安全。

2沿江穿堤建筑物消能防冲特点

沿江堤防大都临江建设，外滩地较窄且切割很深，滩地与江底高差较大。沿江穿堤建筑物大都为内河排水入江的控制建筑物，上游来水情况复杂，排水流量差异性大。排涝期长江水位已经较高，出闸水流为淹没出流，毋需设置消能防冲设施。但在枯水季节，排水区域骤降暴雨，此时江水位一般都很低（低于涵洞底高程），上游来水迅猛，过闸水流一般处于急流状态，必须设置消能防冲设施，保证工程安全。

如铜陵江堤黑砂河涵闸，根据1991年4月17日排水区实际发生的暴雨计算其过涵流量大约为29.3m 3

/s ，当时实际江

水位为8.5m 。查历年的长江水位资料，枯水期各月（11、12、1、2、3、4月）的月平均江水位均低于涵底高程9.0m 。一月份的月平均江水位最低，仅4.54m ，在此期间排水区降雨产生径流，涵洞下游若无相应消能防冲设施，必然发生冲刷。

可见，沿江穿堤建筑物消能防冲设计不仅要考虑汛期排涝工况，也要考虑枯水季节时突遇强降雨工况，消能防冲条件不唯一，可能有多种不同的流量与不同的下游水位组合。在这种情况下通常有两种不同的消能防冲布置方式。一种是多级

跌水，在跌水塘中产生水跃消能；另一种是加糙陡坡，利用陡坡上的糙条阻力沿程分散消能。因受外滩地地形条件限制，且由于多级跌水对各种不同流量和水位组合的适应性不如加糙陡坡，故下游采用加糙陡坡的消能方式较为适宜。

3加糙陡坡及其消能原理

陡坡是在水工建筑中的衔接建筑物，分为普通粗糙（天然粗糙）的陡坡和特别粗糙（人工粗糙）的陡坡两种。

普通粗糙陡坡是宽度相等或不等的水道（通常是矩形或梯形断面的渠道），其底坡大于临界坡度。陡坡中的水流常为自由扩散的急流，在陡坡出口段产生水跃，需在出口段建立消能设施以保证水跃衔接。由于建筑物都有允许流速的限制，同时也由于大流速使水流和下游衔接复杂化，使得陡坡常常做得较长且无法完全适应工程实际地形变化。

特别粗糙陡坡（以下简称加糙陡坡）是在陡坡段上加设形状各异的粗糙，增大陡坡的粗糙度以加强水流能量的消耗。因此，加糙陡坡中的水流具有程度较低的急流或甚至于处在缓流状态中。加糙陡坡中的粗糙可以安设在渠底（底部粗糙）、侧岸（侧岸粗糙）以及全部周边（综合粗糙）。在其它条件相同的情况下，加糙的增高可以引起水流水深的显著增加，所以具有加糙的陡坡，其经常水深变为接近或甚至大于临近水深。因此，采用加糙陡坡可使以下情况成为可能：（1）可以在陡坡段中达到允许的平均流速；（2）缩短陡坡段的长度而不超出允许的流速；（3）以保证在陡坡段里的缓流来达到和下游水流没有水跃的衔接。

加糙陡坡由于在陡坡段上创造了缓流，则陡坡进口段可能成为淹没的宽顶堰，而出口段成为缓流衔接的式样，并且如果陡坡段水深小于下游水深，则衔接以回水曲线，而如果大于下游水深，则以降落曲线衔接。加糙陡坡可以在最短的距离内实现下泄水流能量地有效消耗，不仅能有效适应工程实际地形变化，而且降低了工程造价。

加糙陡坡技术在穿堤建筑物中的应用

丁美松

（安徽省水利水电勘测设计院

安徽合肥230022）

摘要本文针对沿江穿堤建筑物具有的排水不间断性、流量较大且闸下江水位季节性变化明显的特点，在消能防冲方

式上采用陡坡加糙型式，具有造价省、施工简单的优点。该型式在安徽省水利工程中鲜有使用，但用来解决沿江穿堤建筑物的消能防冲效果显著。关键词

穿堤建筑物消能防冲

加糙陡坡

钢筋砼糙条

收稿日期：2009-8-6

作者简介：丁美松（1974.6~），男，工程师，主要从事水利水电工程设计工作

江淮水利科技·2009年第5期

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4消能防冲设计

加糙陡坡需通过水力学计算确定其具体结构布置型式。现以铜陵江堤黑砂河涵闸为例，详细说明斜坡加糙陡坡的设计过程。

黑砂河涵闸位于铜陵县黑砂河入江口，穿江堤涵洞底板高程9.0m，总长度75m。消能防冲设计控制运行条件为：上游水位11.50m，下游水位8.5m，过涵流量29.3m3/s。据此，进行涵洞下游的消能防冲设计过程如下：

a)加糙陡坡中的水面曲线

由于涵洞下游水位较低，过涵水流为自由出流，且洞宽远小于引渠底宽，在洞口必然出现收缩水深。又由于洞底底坡i=0，洞中水深将向下游逐渐升高，到出口处突然扩散，必将出现临界水深。

涵洞出口的临界水深hk1可按下式计算：

h k1=3

aq2

1

g

姨（4-1）

式中：q1－涵洞出口处单宽流量为29.3/5=5.86(m3/s/m)；

a－水流动能校正系数，取a=1.0。

h

k1

计算得=1.52m，涵洞出口水面高程为9.0+1.52=10.52m，高于下游水位8.50m。

水流进入护坦后，由于扩散作用，水面将继续降低，护坦后为加糙陡坡，因此在护坦末端将出现第2个临界水深，按下式计算：

h k2=3

aq2

2

g

姨（4-2）

式中：q2－护坦末端单宽流量，考虑水流扩散不一定均匀，不均匀系数取1.2，则q2=1.2×29.3/10=3.5(m3/s/m)。

h

k2

计算得=1.08m，护坦末端水面高程为9.0+1.08=10.08m，仍高于下游水位8.50m。因此从护坦末端到加糙陡坡的正常水深断面之间是一个降水曲线。

b)加糙陡坡中的水深及流速

加糙陡坡采用浆砌石砌筑，并用钢筋砼糙条分隔，其允许流速可达5.0m/s以上，为偏安全计，陡坡上的允许流速取v充=4.5m/s，则陡坡上的水深h=q2/v充=3.5/4.5=0.78m。

加糙陡坡上的流速仍用曼宁公式计算：

v=Ri

姨

1

（4-3）

式中：R－陡坡上的水力半径(m)；

i－陡坡的坡度；

n1－加糙陡坡的糙率。

c)加糙陡坡的糙率

陡坡采用3个折点的之字形横条加糙，其糙率根据苏联彼卡洛夫的试验公式计算：

n1=0.11610-0.0610h/a-0.012b/h（4-4）

式中：h－加糙陡坡上的水深（m）；

a－加糙横条的高度（m）；

b－河槽宽度（m）；

d)糙条高度及间距

加糙陡坡底宽为10m，两侧边坡为1∶2.5，顺水流向坡度1∶7.5，则得：

陡坡水面宽度：b=10+0.78×2.5=11.95m

水力半径：R=ω/χ=0.657m

陡坡坡降：i=0.133

将R、i值代入式（4-3），则可求得n1=0.0675，再将n1、b 代入式（4-4）则可得糙条高度a=0.1486m，取a=0.15m，则糙条中心距离d=8a=1.2m，实际取d=1.5m。

e)消能防冲设施布置

根据工程实际地形特征，确定加糙陡坡长37.5m，顺水流向坡度1:7.5，高程从护坦末端9.0m逐渐降至陡坡末端高程4.0m，不仅可满足上述消能防冲控制条件，也可以满足江水位降至5.0m高程的消能防冲要求。由于长江最枯水位低于4.0m，为保证陡坡末段安全，在陡坡后设置堆石防冲槽，深1.0m，底宽1.5m，两侧边坡1:1。

加糙陡坡中的钢筋砼糙条布置为：从砼护坦后2.0m处设置第一根糙条，其后每隔1.5m布置一根，糙条断面尺寸为0.2×0.6m（宽×高），凸出浆砌石面0.15m，平面呈三个折点的之字形。糙条间设顺坡向的砼联系梁，断面为0.2×0.45m（宽×高），顶面与浆砌石表面持平。消能防冲及糙条布置如图1所示。

5结束语

黑砂河穿堤涵洞于2002年11月竣工，至今运行状况良好。设置于陡坡上的糙条对出涵水流起到了有效的消能作用，达到了预期效果。继陡坡加糙消能方式在黑砂河穿堤涵洞成功运用之后，于铜陵市狼尾湖涵洞、新民圩涵洞以及芜湖市、枞阳县等地多座穿堤涵闸设计中得到应用，工程现均已建成，运行中消能防冲效果显著。可见，加糙陡坡是解决沿江滩地窄且陡，具有多种流量多种水位组合的穿堤涵闸的消能防冲比较理想的型式。

参考文献

[1]李炜.水力计算手册，中国水利水电出版社，2006.

图1消能防冲结构布置图

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