基于水流流态分析的水闸底流消能防冲设计

孔庆阳，乔婧，丁伟，赵明

（1.连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222006；2.东海县引淮入石芝麻电力翻水站，江苏 连云港 222300）

1 引言

传统水闸底流消能防冲方法常常会造成消能不充分的问题，同时在水跃后端常常会出现紊动能、下行波动大的问题，会进一步加大对防冲槽的冲击，造成安设的防冲设施出现严重的破坏现象[1-2]。因此，国内外研究学者纷纷对消能装置展开研究，国外学者阐述了能量概念在结构消能装置设计中的重要性，并基于损伤控制的概念，提出了一种将多自由度体系转化为非弹性范围内的等效单自由度模型的显式方法，以便在有无附加装置的情况下，方便地进行结构抗震性能的评估。国内学者针对北溪闸下游消能防冲设施存在的主要问题，运用理论分析和模型分析其原因实验。通过方案比较，这些措施都是为解决工程存在的几十年安全隐患而采取的，其中主要包括：消力池水跃消能、延伸加筋护坦及防冲槽除险加固。也有学者针对平原地区水闸消能防冲运行的特点，在理论分析的基础上，推导出消力池最大水深的计算公式液压系统。根据模型试验数据以及消能防冲所需的水流条件，绘制了泄水闸运行控制曲线，并根据该曲线绘制了水闸运行控制曲线。上述方法在一定程度上减少了防冲设施被损坏的情况，但是为了保证建筑物及枢纽正常运行，要求做到消能工本身不受空蚀（物体受到气体空泡流冲击后表面出现的变形和材料剥蚀现象）、磨蚀等损伤，下游岸坡稳定，河床不出现危害性冲刷。对此，本文在充分考虑水跃原理的基础上，将开展基于水流流态分析的水闸底流消能防冲设计研究，设计水闸底流消力池，通过增设消力池和在海漫的末端位置设置防冲槽结构，实现对水闸底流的消能防冲作用，最终通过对比实验验证设计方法的有效性，实验结果表明本文方法底流的消能更加充分，降低了底流流速。

2 基于水流流态分析的水闸底流消能防冲设计

2.1 基于水流流态分析的水闸底流消力池设计

为实现对水闸底流消能防冲，本文结合水流流态分析方法对水闸底流消力池进行设计。消力池的结构可根据不同水闸类型进行调整，一般情况下消力池分为消力坎式和综合式两种结构[3-4]。增设水闸底流消力池的目的是将泄水过程中水流产生的能量消耗，进而形成水跃，将原本存在的水跃条件淹没。通常情况下，水闸的内侧水位要比外侧水位更低，因此在对消力池设计时，本文采用将水闸底流水深与水流流态关系作为基本计算依据。按照水闸闸孔开孔的数量以及开启的高度不同，对消力池进行分档开启设置，通过水闸闸孔的具体位置，对水流流态进行计算，并根据公式得出水闸不同开启孔数与开启度所需要的消力池深度，公式如下：

公式（1）中，L表示为闸孔位置的水流流态；K表示为分档高度；δ表示为孔流淹没系数；μ表示为孔流流量系数；m表示为孔口高度；g表示为水跃淹没系数；M表示为水闸整体高度。根据公式（1）得出的闸孔位置的水流流态，对消力池的各尺寸进行计算。首先对消力池的总势能进行计算：

公式（2）中，T表示为由消力池底部到顶板的总势能；h1表示为消力池在水跃前的水深；φ表示为消力池的流速系数，通常情况下φ取值为0.86。再对消力池在水跃后的水深进行计算：

公式（3）中，h2表示为消力池在水跃后的水深；α表示为水流动能校正系数；c1表示为消力池最末端的宽度大小；c2表示为消力池最前端的宽度大小。再对消力池出池水位落差进行计算：

公式（4）中，ΔE表示为消力池出池水位的落差大小。再对消力池池深进行计算：

公式（5）中，d表示为消力池的池深。根据上述公式得出在达到预计消能防冲效果下，消力池各个尺寸大小。本文采用消力坎式消力池，在护坦结构上设置消力坎，设计结构如图1所示，完成对水闸底流消力池设计。

图1 水闸底流消力池设计

2.2 水闸底流海漫与防冲槽搭建

针对消力池消能后底流中剩余的能量，本文采用海漫与防冲槽搭建的方法将剩余能量尽可能的消除，并调整在消力池中水流的流速分布，从而恢复原本水流的状态，降低底流对河床造成的不利影响。首先从海漫的功能需求角度出发，海漫的结构应当具备一定的柔韧性，并保证较高的表面粗糙程度[5-7]。其次对海漫的长度进行设计，综合水闸整体涉及的各项因素。通常情况下，海漫外侧的水位相对较高，因此还需要增设防渗装置，在海漫外侧利用钢筋混凝土材料对其进行防渗加固处理，在实际施工过程中保证钢筋混凝土结构的厚度不低于0.45 m。

为了进一步实现对水闸底流消能防冲处理，还需要在海漫的末端位置设置防冲槽结构，如图2所示。

图2 海漫的末端位置设置防冲槽结构

防冲槽的作用与海漫相同，主要用于保证河床以及水闸闸室的安全[8-10]。防冲槽的尺寸大小应当按照水闸底流可能产生的冲刷深度设置，防冲槽的下游坡率选取比例为2∶1。在防冲槽中放置石块，保证其体积比水闸底流冲刷后护坡石块的方量更大。

根据实际情况的不同需要，还可以设置与防冲槽类似的防冲结构，例如尾坎、消力墩等。在防冲槽实际应用中，下游的消能防冲设施会进行不断地改建以适应下游水位的变化，因此应当选择大型防冲槽，壅高下游水位，从而抵抗下游水位在大幅度降低的过程中造成对水闸、河岸的冲刷[10-12]。

为进一步实现对水闸底流的消能防冲作用，还应当在控制底流冲刷的过程中，控制下游水位的下降。通过护岸、护底的方式，抑制水闸底流冲刷的发展，并通过缩窄河宽、减小水流的方式，在保证流量一定的情况下，增加下游过流水深。

3 实验论证分析

选取某地区水闸作为实验对象，该水闸类型为中型挡潮排涝水闸，由于该水闸使用时间较长，因此需要进行重建。

水闸现有结构采用9孔×4.5 m的布置尺寸，其总宽度达36.24 m，水闸底槛高程为-1.35 m，水闸顶高程为6.25 m，上游连接段与下步河相互连接，下游出口处与外海相互连接。

分别利用本文提出的基于水流流态分析的水闸底流消能防冲方法与传统水闸底流消能防冲方法，为该水闸在泄水过程中的消能防冲进行设计，并通过改变水闸的开度大小，对水闸底流流速值进行检测，将检测结果与水闸末端水流流速进行比较，若流速更接近则说明消能防冲效果更好。分别设置水闸开度为0.25 e/m、0.40 e/m、0.74 e/m、1.34 e/m和1.58 e/m，5种水闸开度，分别利用本文方法设计的消能防冲方法与水库表孔低水头大单宽流量消能方式完成对比实验，并比较两种方法的消能防冲效果，如表1所示。

表1 两种方法消能防冲效果对比表

为方便对比两种方法消能防冲效果，将表1中的数据用图3进行表述。

图3 消能防冲效果对比结果

综合表1中的数据和图3可知，将本文方法与水库表孔低水头大单宽流量消能方式分别与水闸末端水流流速值进行比较，由于本文在进行一、二级消力时形成了强迫水跃，使得对底流的消能更加充分，降低了底流流速，保证水流与水闸底流衔接更加平顺，达到了削减水能、平缓水流的目的，因此本文方法的底流流速值在1.4 m/s以下，与水闸末端水流流速值更接近，而水库表孔低水头大单宽流量消能方式的底流流速值随着水闸开度的增加而变大，最高可达3.39 m/s，因此通过对比可知本文方法有效降低了水闸底流与末端水流之间的势能差。

为进一步验证两种方法底流消能防冲设计在实际应用中对建筑设施的安全以及下游河床稳定性的作用，对比两种方法在5次实验中，每次消能防冲后水流对河床的冲击程度，得到河床冲击对比结果如图4所示。

图4 河床冲击对比结果

由图4可知，由于本文在底流消能防冲设计时，针对消力池消能后底流中剩余的能量，利用海漫与防冲槽搭建的方法将剩余能量尽可能的消除，并调整在消力池中水流的流速分布，降低底流对河床造成的不利影响，因此，本文方法对河流的冲击影响程度在20 %以下，相较于水库表孔低水头大单宽流量消能方式较低。

通过实验证明，本文提出的基于水流流态分析的水闸底流消能防冲方法具有更好的效果，可用于对水闸泄水过程中实现对河床的保护。

4 结论

在对水闸设计时，其底流消能防冲设计是尤为重要的，关系到整个建筑设施的安全以及下游河床的稳定。本文通过对消能防冲的基本原理进行探究，提出一种全新的基于水流流态分析的水闸底流消能防冲方法。在其实际施工过程中，还应当根据工程的主要目的、水闸运行方式、周围地形结构等特点，结合消能防冲的各种形式加以分析，从而选择最适合的消能防冲方案，经实验证明，本文方法可以有效降低底流的势能，为水闸底流消能防冲设计提供参考。