水利工程除险加固水闸消能防冲措施

摘要：本文对水闸消能防冲期间的常见问题进行了论述，结合某水利工程除险加固项目建立了水闸消能防冲的水力学模型。借助模型对过度冲刷、流速过大问题的成因进行了分析，提出了解决出闸水流集中、水流流速分布不均、冲刷压力过大情况的施工方案，为相关单位人员提供参考。

关键词：水力学模型；水闸消能防冲；除险加固

１工程概况

某河道所修建的水闸为多孔水闸，孔位数量为１６个，宽度均为４ｍ，闸顶高度与闸室宽度分别为１９．５ｍ和８１．０ｍ，利用消力池对泄流进行消能处理。在水闸工程应用过程中，工程单位对其下游翼墙底部、下游齿坎、斜坡段以及消力池底板等多个部位进行了除险加固处理。然而，工程单位加固下游翼墙后，水闸泄流期间产生了主流集中、水流流速提升、河床冲刷情况愈发严重的问题，急需通过水力学模型对水流流态变化与下游翼墙加固之间的关联性进行分析，探寻改善消能防冲设施功能效果的具体措施［１］。

２研究方法

２．１模型创建

本文基于重力相似准则进行模型创建工作，将几何正态、阻力相似纳入模型建设体系之中，按照１∶４０的比例尺进行设计。其中，模型类型包括防冲槽以及分顶层下游局部动床模型，模型沙的选型依据参考现场防冲槽下游河床的泥沙颗粒级配勘测数据，确保模型中泥沙流速情况与现场情况相近，最终选取１．１ｍｍ粒径的黑点木粉作为模型沙材料。针对水流流速、流态监测工作要求，选择设置四组测量断面进行监测，布置情况详见图１，防冲槽末端与图中Ｄ０２断面相对应。图１闸下流速断面布置为满足水位测量要求，选型应用±０．１ｍｍ精度的测针进行测量，利用±２．５ｃｍ／ｓ精度的旋浆式传感器检测流速，检测数据汇集于水工模拟测控系统中，便于工作人员对测量结果进行实时确认［２－３］。闸下河水冲刷形成的坑洞深度需利用水准测量法，按照±０．５ｍｍ的精度标准进行测量，测量时间为缓慢停水之后。

２．２试验参数

为实现对水闸消能防冲情况的有效测试，模型试验期间需要选择水流流量、水位、水流结构等具有代表性的参数进行测试，结合现场情况设置了四种不同的工况，相关数据参数详见表１。

３基于水力学模型试验的消能防冲措施分析

３．１试验结果分析

３．１．１水流流速与流态特性分析水力学模型试验结果表明，在两侧翼墙加固体的作用下，消力池中的两侧闸孔泄流不会产生水跃，主流处于水体表面斜向通过消力池尾端，最终产生能够挤压出闸水流的回流区，详见图２，主流宽度在消力池尾端最终达到５０ｍ左右，等同于１０组闸孔的宽度。泄流河水从消力池涌出后，其主流主要分布于河道中部，流动期间产生不确定的左右摆动情况，而朝左侧摆动的可能性相对更高，两侧均具有分布范围较大的回流区。断面检测结果表明，水流流速呈不均匀分布的状态，工况１时Ｄ０２断面的最大流速为３．７５ｍ／ｓ，工况２时的流速为３．０７ｍ／ｓ，工况３时的流速为１．２１ｍ／ｓ，工况４时的流速为１．６２ｍ／ｓ。图２闸下水３．１．２水流冲刷特性分析为验证定床模型时水深、水流垂向流速等因素带来的影响，按照表１所述工况１与工况４中水位、流量标准进行模拟试验，测试河床冲刷的具体情况。模型试验结果指出，工况１的水位较深、流量相对较高，导致通过消力池进入防冲槽处的水流流速依然呈现出较高的数值，导致水闸下游的河床承受较强的水流冲刷影响，不仅冲刷范围大，而且防冲槽后方河床受水流冲刷形成的坑洞深度可达９．４ｍ，最深处高程达到了－３．４ｍ。工况４的水位浅且流量小，防冲槽后的水流不会对闸下河床产生强烈的冲刷作用，冲刷的范围小且深度仅３．０５ｍ左右，坑洞最深部位的高程仅２．９３ｍ。３．１．３闸下河床冲刷情况分析结合除险加固水闸布置示意图可以确认，加固体布设范围为闸室水平段末端后续的翼墙底部区域，其顶部高程等于闸底高程，顶宽等于２／３闸孔宽度，加固体高度呈渐变状态，消力池末端高度为２．５ｍ，闸底末端为０ｍ，消力池后续部位高度始终维持在２．５ｍ状态。在加固体的作用下，水闸泄流中２／３的水流被加固体阻隔，这部分水流开始朝着中部斜向流动，导致主流在消力池内集中，防冲槽以及下游河床所承受的水流冲刷作用因此加强，最终形成大范围的河床冲刷坑洞问题。

３．２消能防冲改进措施试验对比与选择

对于除险加固水闸加固体布设后引发的主流集中、回流、斜向流动、流速分布不均等情况，工程单位可以结合现场情况对消能防冲设施的结构尺寸进行优化，实现对两侧回流区的有效抑制，将下游河道水流流速控制得更加均匀，避免河床受到严重的冲刷作用，相关优化方案详见图３，主要包括调整消力池尾坎高度、增设消力池辅助设施、改变尾坎布置结构等方式调节泄流状态和流速。在工况２水位与过闸流量的标准下试验不同方案的效果，通过对比各方案中水流流速均匀性和流态参数的方式选取适宜的消能防冲改进措施。结果表明，第１种至第３种方案无法有效改善消力池内水流的流态，但消力池下游的流态改善效果良好；第４种方案有效改善了水闸下游各部位的水流流态，实现了对斜流流态问题的有效抑制，有效规避了主流集中以及偏流问题，各断面监测的流速分布状态也较为均匀。在方案选择过程中，工程单位需要综合考虑河岸与河床受冲刷程度、流速分布均匀性、水闸下游各部位水流流态以及施工结构难易程度等多方面的因素，对比上述试验结果可以发现，第１种方案对于水闸下游消力池中的水流流态无法起到良好的调控效果，仅将下游水流流速的均匀性进行了一定程度的改善，实现了对断面垂线平均流速以及回流流速的有效控制，但依然无法起到有效改善河岸、河床防冲效果的作用；第２种与第３种方案对于水闸下游消力池中的水流流态无法起到良好的调控效果，但是对断面垂线流速降低以及水流流速均匀性等方面具有显著的改善作用，能够降低河床的受冲刷程度，只是流出消能防冲设施的水流在近岸区域依然保持较高的速度，导致岸脚受到严重的冲刷影响；第４种方案利用分隔墩应对加固体布设后引发的斜向水流，能够有效改善斜流流态、回流区问题，使得消力池及其下游水流维持了较为良好的流态，不再产生主流集中、偏流等问题，降低了Ｄ０２断面垂线流速和近岸流速，也均化了断面流速分布状态，实现了对岸脚、河床等区域水流冲刷问题的有效缓解。此外，分隔墩结构相对简单，能够以更短的时间、成本实现对现有消能防冲设施的优化。

３．３消能防冲措施试验验证

为了确保除险加固水闸消能防冲设施功能的有效发挥，本文针对第４种方案的适用情况进行了详细的试验验证与分析，测试了不同水位、流量工况时的消能防冲效果。在消能防冲措施实施过程中，工程单位将分隔墩装设于闸墩后方的斜坡以及水平段。在流速分布均匀性以及流态特性方面，分隔墩隔离了两侧闸孔与相邻闸孔，在工况１、工况２、工况３、工况４不同水位和流量参数作用下，均为发生回流、主流集中、两侧水流斜向流动等问题；消力池下游未形成回流区域，水流流态温度且扩散情况良好；各断面流速分布的均匀性以及最大垂向流速数值也得到有效改善。在冲刷特性方面，基于工况１与工况４的参数对消能防冲措施的应用效果进行试验。结果表明，闸下河道断面流速以更均匀的状态分布，主流集中问题得以消除，最终形成的河床冲刷范围小且程度低，岸脚也未出现冲刷情况，工况１的冲刷深度由改进前的９．４０ｍ降低至３．２４ｍ，工况２的冲刷深度由改进前的３．０５ｍ降低至２．７３ｍ。

４结语

综上所述，除险加固水闸工程中往往容易因处理措施不当对消能防冲效果造成负面影响，引发严重的河床、岸边冲刷等问题。工程单位施工过程中，对翼墙、闸墩等区域的加固处理措施导致水闸下游的水流出现主流集中、回流、偏流、流速分布不均等问题，通过加装分隔墩的方式能够实现对水流流态、流速特性以及冲刷问题的有效调控，满足水闸下游的消能防冲需求。

参考文献：

［１］韩成银，刘红军，傅宗甫，等．除险加固水闸的消能防冲措施［Ｊ］．水利水电科技进展，２０１７，３７（４）：４２－４６，６２．

［２］于芳，曲军超．郑店节制闸除险加固工程设计及结构计算［Ｊ］．吉林水利，２０１９（７）：４６－４９，５５．

［３］何丽，王珊珊．三刘拦河闸除险加固工程设计及结构计算［Ｊ］．水利科技与经济，２０１９，２５（９）：５９－６３．

作者：陈卫东 单位：广东华迪工程管理有限公司