水閘沖刷計算分析研究

摘要:水閘泄水時部分勢能轉為動能，流速增大，因此水閘的沖刷現(xiàn)象是常見的，而抑制這種沖刷的計算則成為一個普遍且嚴重的問題，閘下有害沖刷原因是多方面的，有的是設計不當，有的是運用管理不善，本文以實例就對消能設計條件、躍前水深、躍后水深、下游水深，以及他們之間相互關系從設計角度以及運用管理以及對下游河床的監(jiān)管等進行論述。 
　　關鍵詞:消力池；設計條件；公式；海漫；臨界水深 
　　 
　　水流過閘后，在消力池內(nèi)產(chǎn)生水躍，使閘下急流轉變?yōu)榫徚�，通過水躍消耗的能量Ej與躍前斷面的能量Ei之比，稱為水躍消能率。躍前斷面的弗汝德數(shù)愈大，則消能率愈高。當Fr1在1O一40間，則Ej／Ei為28%一59%，低水頭的水閘，由于Fr1較小，故水閘的消能率一般較低。針對消能工設計條件及下游水深hs，對消力池及海漫的影響作些探討。 
　　 
　　一、水閘消能工控制條件及消能不利原因 
　　 
　　依據(jù)一些水閘的實際運行工況及消能工破壞實例分析，水閘消能工設計的控制條件，往往不一定是以泄放設計洪水時為最不利工況，而且，不同類型的水閘的消能設計條件也不相同，故在消能工的設計中，除需要考慮上下游水位、過閘流量、閘門啟閉的組合程序等因素外，還必須做大量的分析工作，以確定消能工設計的最不利組合，設計中切不可簡單地加以假定。筆者通過對一些消力池水力狀況惡劣的水閘的觀察分析，總結出消力池計算深度過深或形成不了淹沒水躍，消能率較低的主要原因為： 
　�。ㄒ唬┯捎谑苌嫌魏樗�流量和下游潮位不斷變化的影響，過閘水流的水位、流量及流速均在不斷變化，設計者計算時未能加以一一分析，而是簡單地定了一個上下游水位； 
　�。ǘ�）下游水位很低時，未能結合對下游水面曲線的分析，考慮對閘門的開度、啟閉順序進行控制或設置多級消力池； 
　�。ㄈ�）未能結合設置一些消力墩等輔助消能工，促使水躍的發(fā)生。 
　　 
　　二、 在不同下游水位情況下的消能防沖設計 
　　 
　�。ㄒ唬┫掠嗡�深hs
　　消力池出口處水深應按寬頂堰自由出流公式計算。根據(jù)一定的閘下排出流量，即可按此式計算出H0，并扣去行進流速水頭(在未求得正確的池末端水深前，此值可用δHc”代替)，這樣，即可求出消力池末端水深，此值與Hc”對比，即為淹沒系數(shù)δ，要求δ值在1.05-1。1之間。如果不合，可以調(diào)整消力池開挖深度，使之基本吻合。 
　　以上的計算僅表示池內(nèi)水深已經(jīng)淹沒。急流動能亦有所消減，但是水流出池后，仍又能對下游海漫造成很大沖刷，嚴重影響閘室安全。所以還需計算水面下降曲線，使水流出池后能與下游水面平穩(wěn)連接，進一步消除急流動能。由于海漫一般都設計成1:1O或1:20的陡坡，并在其前設置>5m的水平調(diào)整段，理論上一般認為在平坡與陡坡交界處的水深為hk。因而，可根據(jù)已知的Qmax及hk值，向下推算海漫水面曲線。這是一條標準的M2型降水曲線，愈向下水深愈小，最后接近正常水深h0，流速變緩。 
　�。ǘ�）下游水深hk<0.8HO 
　　下游水深對出流沒有影響，故池內(nèi)淹沒情況仍可按寬頂堰自由出流公式計算。對于水平調(diào)整后的水深可按hs計算，由于愈向下流速愈小，對海漫的沖刷亦愈小。但對于海漫末端的防沖槽，由于關系到河道的沖刷安全，必需精心設計和施工。 
　　（三）下游水深hs>0.8Ho 
　　消力池出口為淹沒流。由于下游水位抬高，消力池出口處的水深亦相應增加，因而在保證相同淹沒系數(shù)情況下。消力池可以開挖得稍淺一些。 
　　 
　　三、 實例介紹 
　　 
　　為進一步分析消能防沖設施，以實例進行細致探討，設定某閘為2×4m，上游水位3.40m，下游水位1.5m，該閘底板高程1.0 m，初步擬定的消能防沖結構見圖。 
　　 
　�。ㄒ唬┣筮^閘流量Q 
　　按寬頂堰自由出流公式計算：參數(shù)選取e(側收縮系數(shù))=O.95，Ho≈H=2.4m，B=8m，m=O．385(當檻高P=0時) 
　　求得：Q=O.95×O.385×8×4.429×2.41.5= 48.18 m3/s 
　�。ǘ�）求第1共軛水深hc和第2共軛水深hc” 
　　E0=hc+q2/2gφ2hc2，假定消力池池深l.2m，則池底高程-O.2m，故E0=3.40+O.2=3.60m 
　　出口處B=2×4+1=9m，單寬流量q=48.18/9=5.353m2/s 
　　φ=O.95，g=9.81(常數(shù))，把以上數(shù)字代入公式，通過試算可求出hc=O.754 m，再把 代入求hc”的公式中，得hc”= 2.432 m 
　�。ㄈ�）求消力池出口的水深 
　　先求hk 
　　B=9+2×l7×tg8o=13.78 m，q=48.18/13.78=3.496 m2/s,hk=(q2/g)1/3 
　　計算求得hk=1.076m 
　　由于下游水深為O.5m
　　H0=(q/(2g)1/em )2/3，e為側收縮系數(shù)o.95，m=O.385，q=3.496 
　　計算求得H0==1.67m 
　　扣去行進流速水頭v02/2g=3.4962/19.62×(2.432×1.05)2=0.096m, 
　　則得實際堰頂水深Hl=H0-v02/2g=1.67-0.096=1.574m 
　　淹沒系數(shù)δ=（1.574+1.2）/2.432=1.141>1.05淹沒。 
　　根據(jù)以上計算，淹沒系數(shù)略大于1.1，因此水躍已被淹沒，十分安全。再檢驗當消力池出口水位為2.574m時，是否會影響閘下的出流，只需把這一水位換算成閘門出口處的水深即可。換算水深Hs=2.574—1.0=1.574 m，則Hs/H=1.574/2.4=0.656<0.8O，故不會影響閘門下的出流。 
　�。ㄋ模┡c下游水位的連接問題 
　　通過5m的調(diào)整段，與坡度為1:10的海漫陡坡連接,陡坡起端的臨界水深hk為： 
　　hk=(q2/g)1/3=(3.4962/9.81)1/3=1.076m 
　　此處的流速V=48.18/1.076×13.78 =3.249 m/s。由于海漫為1:10的陡坡，則愈向下流速愈大，最后水深到達與陡坡相適應的正常水位H0，然后再向下推出Bl型降水曲線。當推出的水位到達下游水位時，可不再推求。根據(jù)以上計算原則，可以求出在海漫始端V=3.249 m／s；在距始端1．0 m處，v=3.914m／s，在距始端7.45 m處，Vmax均=5.469 m/s(與下游水位齊平)，以后水深逐漸加大，流速亦逐步減小。通過計算可知，海漫上可發(fā)生最大流速Vmax均=5.469 m/s，已明顯大于干砌塊石的允許流速，故必須把海漫全段和調(diào)整段改為混凝土預制塊砌筑(厚O.2一O.3 m)，其允許流速V≥6m/s，屬于安全。 
　　（五）其它導致沖刷嚴重，消能不利的因素 
　　1、操作規(guī)程不健全，閘門操作不當：多數(shù)工程閘門操作規(guī)程都只是套用通用的均勻、同步、對稱開關，以及中間、兩邊的先后等內(nèi)容，沒有根據(jù)具體工程的上下游水位、流量和河道水流形態(tài)、地質(zhì)條件定出具體的操作方案。 
　　2、過量、無序采挖河砂：采砂未經(jīng)規(guī)劃或許可，未能實現(xiàn)有效的采砂管理，普遍存在偷采、超采河砂現(xiàn)象，特別是水閘下游河道過量挖砂，造成閘下水位降低，水閘泄水時發(fā)生流量與水位失衡，這已成為水閘下游沖刷破壞的主要原因。所以應特別加強對水閘下游一定范圍內(nèi)采砂活動的管理、監(jiān)督。 
　　 
　　四、結語 
　　 
　　水閘消能防沖歷來是十分重要的研究課題，特別是在粉砂地基上建閘，更需認真對待，使建成后的水閘都能安全運行，發(fā)揮出最大的效益。并且要根據(jù)不同的工程情況，多進行現(xiàn)場調(diào)查，以設計出最優(yōu)最安全的工程。

�。ㄒ唬┣筮^閘流量Q 
　　按寬頂堰自由出流公式計算：參數(shù)選取e(側收縮系數(shù))=O.95，Ho≈H=2.4m，B=8m，m=O．385(當檻高P=0時) 
　　求得：Q=O.95×O.385×8×4.429×2.41.5= 48.18 m3/s 
　�。ǘ�）求第1共軛水深hc和第2共軛水深hc” 
　　E0=hc+q2/2gφ2hc2，假定消力池池深l.2m，則池底高程-O.2m，故E0=3.40+O.2=3.60m 
　　出口處B=2×4+1=9m，單寬流量q=48.18/9=5.353m2/s 
　　φ=O.95，g=9.81(常數(shù))，把以上數(shù)字代入公式，通過試算可求出hc=O.754 m，再把 代入求hc”的公式中，得hc”= 2.432 m 
　�。ㄈ�）求消力池出口的水深 
　　先求hk 
　　B=9+2×l7×tg8o=13.78 m，q=48.18/13.78=3.496 m2/s,hk=(q2/g)1/3 
　　計算求得hk=1.076m 
　　由于下游水深為O.5m
　　H0=(q/(2g)1/em )2/3，e為側收縮系數(shù)o.95，m=O.385，q=3.496 
　　計算求得H0==1.67m 
　　扣去行進流速水頭v02/2g=3.4962/19.62×(2.432×1.05)2=0.096m, 
　　則得實際堰頂水深Hl=H0-v02/2g=1.67-0.096=1.574m 
　　淹沒系數(shù)δ=（1.574+1.2）/2.432=1.141>1.05淹沒。 
　　根據(jù)以上計算，淹沒系數(shù)略大于1.1，因此水躍已被淹沒，十分安全。再檢驗當消力池出口水位為2.574m時，是否會影響閘下的出流，只需把這一水位換算成閘門出口處的水深即可。換算水深Hs=2.574—1.0=1.574 m，則Hs/H=1.574/2.4=0.656<0.8O，故不會影響閘門下的出流。 
　�。ㄋ模┡c下游水位的連接問題 
　　通過5m的調(diào)整段，與坡度為1:10的海漫陡坡連接,陡坡起端的臨界水深hk為： 
　　hk=(q2/g)1/3=(3.4962/9.81)1/3=1.076m 
　　此處的流速V=48.18/1.076×13.78 =3.249 m/s。由于海漫為1:10的陡坡，則愈向下流速愈大，最后水深到達與陡坡相適應的正常水位H0，然后再向下推出Bl型降水曲線。當推出的水位到達下游水位時，可不再推求。根據(jù)以上計算原則，可以求出在海漫始端V=3.249 m／s；在距始端1．0 m處，v=3.914m／s，在距始端7.45 m處，Vmax均=5.469 m/s(與下游水位齊平)，以后水深逐漸加大，流速亦逐步減小。通過計算可知，海漫上可發(fā)生最大流速Vmax均=5.469 m/s，已明顯大于干砌塊石的允許流速，故必須把海漫全段和調(diào)整段改為混凝土預制塊砌筑(厚O.2一O.3 m)，其允許流速V≥6m/s，屬于安全。 
　　（五）其它導致沖刷嚴重，消能不利的因素 
　　1、操作規(guī)程不健全，閘門操作不當：多數(shù)工程閘門操作規(guī)程都只是套用通用的均勻、同步、對稱開關，以及中間、兩邊的先后等內(nèi)容，沒有根據(jù)具體工程的上下游水位、流量和河道水流形態(tài)、地質(zhì)條件定出具體的操作方案。 
　　2、過量、無序采挖河砂：采砂未經(jīng)規(guī)劃或許可，未能實現(xiàn)有效的采砂管理，普遍存在偷采、超采河砂現(xiàn)象，特別是水閘下游河道過量挖砂，造成閘下水位降低，水閘泄水時發(fā)生流量與水位失衡，這已成為水閘下游沖刷破壞的主要原因。所以應特別加強對水閘下游一定范圍內(nèi)采砂活動的管理、監(jiān)督。 
　　 
　　四、結語 
　　 
　　水閘消能防沖歷來是十分重要的研究課題，特別是在粉砂地基上建閘，更需認真對待，使建成后的水閘都能安全運行，發(fā)揮出最大的效益。并且要根據(jù)不同的工程情況，多進行現(xiàn)場調(diào)查，以設計出最優(yōu)最安全的工程。

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