论水闸的消能防冲与防护

论水闸的消能防冲与防护

天津市北大港水库管理处赵桂廷孟祥辉

由于土质河床抗冲能力很低，而水闸放水时又具有较大的能量，因而闸下冲刷是一种不可避免的普遍现象，有的冲刷并不危害建筑物安全，一般是允许的，但对于有害冲刷，则必须采取措施，加强防止。闸下冲刷原因是多方面的，根据设计及施工实践，绝大部分由设计不当造成，一部分是由后期运行管理不善造成的，为防止河床有害冲刷，保证水闸安全使用，首先要选用好适宜的单宽流量；其次是合理的平面布置，以利于水流扩散，避免或减轻回流的影响；第三是清除水流的多余能量和采用相应的防冲措施。

一、闸下泄流时的特点

只有认识了闸下水流运动的规律，从具体情况出发，才能经济合理的解决闸下消能防冲问题。闸下出流流态比较复杂，开始放水时，闸下水深较浅，随着闸门开度增大逐渐加深，在这个过程中，闸下泄流由孔流到堰流，由自由射流到淹没射流都会发生。因此，必须采用适当的衔接方式。

1、闸下易发生波状水跃。由于水闸上下游水位差较小，相应福氏数小（为第一共轭水深，处的断面平均流速）特别是平底板的情况下，更易发生波状水跃。当下游河床与底板齐平时，在共轭水深比即～时会出现波状水跃，此时无强烈的水跃旋滚，处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小了河槽的有效宽度，局部单宽流量增大，造成严重的冲刷河床及河岸。

2、闸下容易出现折冲水流。一般水闸的宽度比原河道窄，水流过闸先收缩，出闸后再扩散，水流集中，左冲右撞，造成折冲水流，淘刷河床及岸坡，影响水闸正常运行。

二、闸下水流的衔接及消能

1、闸下水流衔接消能方式：平原地区的水闸由于水头低，下游水深变化大，无法采用挑流消能，一般多采用底流式水跃消能。虽然底流消能效果因水头差过小不很理想，但这种消能衔接方式适应于变动的过闸流量和下游水位，同时在平面上也容易扩散，所以底流消能在平原水闸中应用最广。

2、消力池的布置：促使闸下产生底流式水跃，主要是靠消力池。对土基上的水闸，若下游水深不足，可将护坦高程降低形成消力池。如地下水位较高，基坑开挖困难，消力池深挖后影响闸室稳定，则应采用综合式消力池。消力池的高程可按各种水流条件下能形成具有5～7%淹没度的水跃条件来确定，当池底高程低于底板高程时，常采用1：3～1：4的斜坡段连接，消力池的水平长度取决于大流量的泄流流态，一般取水跃的长度的0.7～0.8倍，平底段上扩散水跃长度L可按下式计算：

3、辅助消能措施：为调整水闸断面流速分布,减少池后淘刷,加强平面扩散,消减边侧回流,在消力池末端要布置尾槛，在消力池中深尾槛外,有时还要设齿坝,消力墩等辅助消能,达到使水流受阻,分散水流，造成涡流紊动,稳定水跃,缩短水跃长度。辅助消能墩因直接受水流冲撞、磨损，因而外形构造上通常以墩体上游面倾斜而代圆角者为好。辅助消能墩最好设在消力池前丰段,采用双排交错布置效果最好。

三、闸下防冲加固措施

1、护坦：护坦是用来保护水跃范围内河床不受冲刷,保证闸室安全的主要结构。放水时,护坦上水流紊动强烈,受力复杂,不仅受水流冲击,还有上游渗透压力的作用。一旦破坏,就会失去稳定。护坦长度由水跃计算来确定,一般大中型水闸采用0.5～1.0m等厚的100#～150#砼做成，只布结构筋。为改善护坦稳定条件，可在护坦后部设排水孔，孔径一般7～25mm，间距1.5～3m,呈梭形分布。

2、海漫:水流流出护坦后虽已消除了大部分能量,但仍有较大余能,流速并未恢复到天然流速分布状态,仍具有一定的冲刷能力。因此,紧接护坦之后还要继续采用海漫等防冲措施。

海漫的长度应根据消力池出口单宽流量及扩散情况、上下游水位差、地质条件、尾水深度及海漫本身粗糙程度等因素来确定。国内采用的以下公式最适用：

式中：q=海漫现点处单宽流量（m3/s·m）

=上下游水位差（m）

=河床土质系数

海漫的结构及布置要求坚固耐冲，适合冲刷变形，为使渗水排出，降低扬压力，还应具有透水性。为进一步消除余能，海漫表面应粗糙些，海漫材料主要取决于流速大小而定，常用的海漫结构有以下几种：

a干砌石海漫，一般用大于30cm，0.4～0.6厚块石砌成，下铺10～15cm碎石及粗砂反滤,常用海漫厚段。

b浆砌石海漫:用50～80#水泥砂浆,40～50cm厚砌成,内设排水孔,下设反滤层,一般用在海漫前部。

3、翼墙与护岸:翼墙的作用在于使出闸水流均匀扩散保护闸下岸坡免受冲刷,其形状及扩散角对闸下消能有重要影响,根据实践，翼墙扩散角采用8～12°为好。翼墙在消力池范围内采用铅直迎水面为宜。水跃后采用扭曲面为佳。与翼墙衔接的一段河岸由于水流速度较大或有回流现象发生,通常应作浆砌块石护坡,然后以干砌石护坡，保护范围应稍长于海漫，并在护坡坡脚及与土坡相交处应做500m齿墙交于土坡中，以防回流淘刷，护坡下需铺100m左右粗砂反滤层。

四、水闸的上游防护

为保护上游河床免受进闸水流流速加大而出现的冲刷，必须采取相应的防护措施：包括铺盖、上游防冲槽及上游翼墙、护坡等。与闸底相连的上游铺盖，主要为防渗而设制，但又处被冲段，必须由耐冲的粘土、浆砌块石作为防冲材料，上游铺盖长度2～4倍水头，上游翼墙通常设于铺盖段即可。上游护坡总长度可用下式计算：

式中: —铺盖长度

K=系数(对于大型水闸K=4～3.5；中型水闸K=3.5～3；小型水闸K=3.2～2.0)

闸下消能防冲及加固措施是水闸设计施工中一项重要内容,这关系到水闸设计施工后的运用效益、闸室的稳定；关系到挡水及泄水的双重作用；关系到防洪、抗旱的百年大计,是一项不可轻视的水利工程。

五、波状水跃及折冲水流的防止措施

1、波状水跃的防止：对于无槛的平底板可将底板沿长预留平台，这样即利于闸孔出流的扩散，又可在末端设置一道小槛，使水流跃槛入池，促成底流水跃。如将小槛改成分水墩或分水槛，那样对分散水流作用更大。

2、折冲水流的防止：消除折冲水流首先从平面布置入手，尽量使水闸的下泄水流与原河床主流位置和方向一致，其次是制定合理的闸门开启程序。如低泄量时应隔孔开启，使水流均匀出闸，先开中间孔，再渐开两边孔，关闭时相反操作，以使启闭过程中主流尽量居中。第三是控制下游翼墙扩散角，促使出闸水流扩散，扩散度为1：6～1：4，翼墙要平面光滑，墙顶要高出下游水位，以免回流由墙顶漫回消力池。这些对防止折冲水流效果很好。