胡素娥

（宁乡市水利水电勘测设计院，湖南 长沙 410600）

水闸是一种具有调节水位和控制过闸流量的水利建筑物，可同时发挥拦水和泄水作用，因此在防汛、抗旱、输水、发电等水利工程中占据极为重要的地位，但由于闸基前后水位高程不等，水闸上下游落差会将水体的势能大量转化为动能，导致过闸水流流速大大提高，从而对下游河床及两岸产生严重的机械冲刷和侧向侵蚀，特别是底部冲刷引起的溯源侵蚀，会使冲刷范围从下游不断后退到达闸室地基，进而造成水闸空悬甚至发生崩塌。因此，在水闸设计中加入有效的消能防冲措施，对于确保水利枢纽的工程安全是至关重要的。

水闸消能防冲有底流消能、挑流消能和面流消能三种方式，具体方式的选择主要取决于过闸水流流量、上下游水位差、水利工程的运行状态，以及工程的地质背景等因素。本文以湘江流域沩水河上一座重建的大（Ⅱ）型水闸为例，通过分析不同工况下过闸流量、上下游水位、闸门开启度等因素，对水闸消能措施的选择和工程设计工艺进行阐述，为其他类似水利设施的消能防冲设计提供有效借鉴。

1 工程概况

某大（Ⅱ）型水闸枢纽工程位于湘江长沙段一级支流沩水河的中游，由溢流坝、泄洪闸、冲砂闸、水轮泵、工作桥以及上下游连接段等建筑物构成，其主要功能为调水、防洪、发电，灌溉耕地面积1.2 万亩，受益人口达1 万多人。水闸区内总的地势北东部低、西南部较高，属低山之下环绕着岗峦起伏的湘中丘陵区，地面高程80～120 m，岗顶高程300～400 m，相对切割深20～60 m，地势低缓，谷地较宽阔，属Ⅰ级阶地冲积堆积地貌单元。闸址控制流域集雨面积近1 200 km2，河道干流长度大于60 km，闸址上游坡降平均1.8‰。闸址区河床宽110～130 m，河床高程57.5～59.7 m，闸上游水深4～5 m、下游水深1～3 m，沿岸多发育Ⅰ～Ⅱ级阶地。

图1 为沩水河某大（Ⅱ）型水闸上游立视图。

按中华人民共和国行业标准《水闸设计规范》（SL 265-2016）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000）规定的标准，本工程为Ⅱ等工程，主要建筑物级别为二级，次要建筑物级别为三级，临时性建筑物级别为四级；其安全评价确定的设计防洪标准为30 年一遇，校核防洪标准为50 年一遇。该水闸的轴线总长135.9 m，坝轴线方向从右至左依次布置（如图1 所示）：右岸水轮泵站9.8 m；固定坝18.5 m，坝顶高程为62.65 m；平板提升门段闸室闸槛顶高程为59.5 m，闸前正常水位为62.5 m，设置了9 孔，闸孔净宽10.0 m，闸孔中墩厚度为1.4 m，两侧边墩厚度为1.2 m，闸室顺水流方向长10.0 m，采用平底板型式，闸墩顶部高程为65.5 m；左岸水轮泵站4.6 m。水闸的过流能力（表1）：设计洪峰流量（P=3.33%）为1 595 m3/s，相应闸下水位63.86 m；校核洪峰流量（P=2%）为1 908 m3/s，相应闸下水位64.29 m。

图1 沩水河某大（Ⅱ）型水闸上游立视图

表1 水闸过流能力

2 消能措施

水闸消能常用的几种技术措施各具特点，其中挑流式消能是借助水闸出口部分的挑流鼻坎，将出泄的高速水流向上抛射使其落入距离闸门位置较远的河床尾水中进行消能，这种方案施工简单、后期维护方便，在中、高水头泄水工程中应用较广，但对下游的减冲刷效果较弱；面流式消能是利用水闸外侧的跌坎或戽斗，使排泄的急流与下游水体交汇后引发不同层位的水体旋滚以达到消能的目的，适用于中、低水头泄水工程的消能防冲；底流式消能是通过修建消力池等工程来控制水跃位置，利用水跃引发的表面旋滚和强紊动来消除水流的能量，以减少或防止水跃范围内发生的冲刷作用，在较平缓的平原地区使用比较普遍。

依据《水闸设计规范》（SL 265-2016），对本文选用的实例水闸进行消能防冲水力学计算（水闸下游水位与流量关系见表2），结果显示该水闸属于低堰低水头闸坝工程，泄洪时水头小、流量大。基于水动力学特征，结合实际运行情况，本水闸最终采用底流消能方式来减小泄水对河床的冲刷。

表2 沩水河某大（Ⅱ）型水闸下游水位与流量关系

3 设计工艺

3.1 消力池

底流消能的基本原理是使过闸水流在闸下产生一定淹没度的水跃来消减水流动能，以达到保护水跃范围内的河床免受水流冲刷侵蚀的目的，在过闸水流流量较大时，可在下游形成淹没水跃；但当过闸水流流量较小时，闸体下游尾水深度要是不能满足淹没要求，就会在下游形成远驱水跃，对河床产生严重的冲刷侵蚀，此时必须通过消力池对跃后流体进行消能（如图2 所示）。

图2 闸外消力池示意图

水闸外是否需要额外配备消力池来实现底流消能，可根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）附录B 推荐，通过比较跃后水深hc″（m）与下游水深hs（m）的大小关系来进行判别，其中跃后水深hc″的计算方法如下：

式中 hc——收缩水深（m）；

Frc——跃前断面水流的佛劳德数；

b1和b2——分别表示消力池首端和末端的宽度（m）；

T0——由消力池底板顶面算起的总势能（m）；

α——水流动能校正系数，一般取值1.0；

q——过闸单宽流量[m3/（s·m）]；

g——重力加速度，可采用9.81 m/s2；

φ——流速系数，取值0.95。

根据以上公式的计算，若hc″≤hs，即跃后水深小于下游水深，就意味着闸后不需要再建消力池；要是hc″＞hs，则表示跃后水深不能被闸后尾水淹没，必须借助消力池来实现消能。

消力池的复核计算包括消力池深度、消力池长度及消力池底板厚度的计算（如图2 所示）。

3.1.1 消力池深度消力池深度计算可依据式（4）和式（5）：

式中 d——消力池深度（m）；

σ0——水跃淹没系数；

ΔZ——出池落差（m）；

hs——出池河床水深（m）。

这里需要指出的是，由于底流消能过程是通过在闸下产生一定淹没度的水跃来消减水流动能的过程，当淹没度过小时，水跃会不稳定，引起表面旋滚前后摆动，而当淹没度过大时，较高流速水流又会潜入底层，由于表面旋滚的剪切，掺混作用减弱，使得消能效果反而会减少。根据《水闸设计规范》，水闸闸下消能防冲的洪水标准应与该水闸的洪水标准一致，并应充分考虑泄放小于消能防冲设计标准的流量时可能出现的不利情况，可在过闸最小流量到最大流量范围内设定一系列流量Q，求出一系列相应的临界水跃跃后水深hc″及hc″-t（t为下游水深），相应于（hc″-t）为最大时的流量即为消能工设计流量。因此，本案例中淹没系数设定值为1.1。

3.1.2 消力池长度

消力池长度按式（6）和式（7）计算：

式中 Lsj——消力池长度（m）；

Ls——消力池斜坡段水平投影长度（m）；

β——水跃长度校正系数，采用0.75；

Lj——水跃长度（m）。

3.1.3 消力池底板厚度

消力池内水流流态非常紊乱，底部流速高，压力脉动和流速脉动大，需要有相当坚固的结构保护河底，消力池底板（护坦板）可以保护河床不受冲刷。护坦板需要做成等厚、孔下铺设反滤层，并且要求工作时在水流冲击作用下不会被掀起和位移，还要在扬压力和脉动压力的合成作用下不会浮起。因此消力池底板厚度可依据式（8）和式（9）进行计算：

式中 t——消力池底板始端厚度（m）；

k1——消力池底板计算系数，可采用0.175～0.20，在本案例中取值0.18；

q——确定池深时的过闸单宽流量[m3/（s·m）]；

△H——相应单宽流量的上下游水位差（m）；

k2——消力池底板安全系数，可采用1.1～1.3；

U——底板底面受到的扬压力（kPa）；

γ——水重力密度（kN/m3）；

hd——池内水深（m）；

Pm——底板上的脉动压力（kPa），其值可取跃前收缩断面流速水头值的5%，底板前半部分脉动压力计算取“+”号，后半部分脉动压力计算取“-”号；

γb——池底板的饱和容重（kN/m3）。

上述公式中，式（8）是按照抗冲要求计算的底板始端厚度，式（9）为按照抗浮要求计算的底板始端厚度，最终选取二者之中较大的值作为t 值；而底板的末端厚度，可采用t/2，但是不宜小于0.5 m。

以上计算结果显示，该案例水闸的泄洪水头不高，对应的闸下跃前弗劳德数Fr 低，采用底流方式消能就必须借助消力池实现跃后水流消能；消力池的结构尺寸确定为：池长30.0 m，其中斜坡段长10.0 m，水平段长20.0 m，池深1.0 m，底板的始端厚度与末端厚度均为0.9 m（见图3）。

图3 消力池设计图

3.2 海 漫

由于出消力池后水流仍不稳定，依然会对下游河床产生较大的影响，因此，一般会在消力池下游加设海漫，通过海漫进一步消除水流的剩余能量，调整流速分布，使之与天然河道的稳定水流流态接近，以保护河床免受冲刷。

海漫复核计算包括海漫长度和海漫末端河床冲刷深度两个方面。

3.2.1 海漫长度Lp

海漫长度可根据式（10）进行计算，

式中 qs——消力池末端单宽流量[m3/（s·m）]；

△H——上下游水位差（m）；

Ks——海漫长度计算系数，取值由河床的土质决定，粉砂质河床的值最大，为14，坚硬粘土河床的取值最小，为7。

根据计算结果，该水闸的下游护坦和海漫的总长度确定为45 m。

3.2.2 末端冲刷深度dm

海漫末端河床的冲刷深度可根据式（11）进行计算，

s——河床土粒密度，可采用2.65；

g——重力加速度，采用9.81（m/s2）；

d——土粒抗冲等效粒径（m）；

hm——海漫末端河床水深（m）。

参照已建水闸工程的实践经验，下游防冲槽深度一般为1.5～2.5 m，防冲槽内的抛石数量可根据下游河床冲至最深时，块石可能垮塌的情况而定，此次设计取dm值为2.2 m。

4 结果复核

本工程采用消力池底流消能。水闸正常挡水工况，上游水位为62.65 m，相应下游水位58.0 m，开启第一孔闸门时为闸下消能设计的控制工况。根据水力调洪计算，在闸门打开孔数逐步增大时，下游水深逐渐增大，上、下游水位差逐渐减小，在设计、校核洪水工况下闸上、下游水位差仅为0.29 m、0.28 m，此时下游水深为64.29 m、63.86 m，但泄流量较大，因此设计、校核洪水工况不能作为闸下消能的控制工况。

按本实例水闸的闸上水位62.65 m、闸下起始水位58.0 m 这一水位组合开闸泄水，由于该工程泄洪孔数较多，在计算过程中考虑水流在消力池中的扩散因素，具体消能计算结果见表3。计算结果表明：各种工况下消能防冲设施的结构尺寸与闸门的开启方式关系密切，应尽量先开启一孔的第一级，然后再开启其余一孔的第一级，以使消能更充分。

表3 泄洪闸消力池消能防冲计算结果

5 结 语

水闸消能历来是水利工程中备受关注的重要课题之一，由于过闸水流受上下游落差作用，大部分势能会转化为动能，使其流速急剧增加并在下游产生剧烈紊乱的现象，若无适当的消能措施，其强大的冲刷能力将会对下游河床及堤岸产生侵蚀破坏，存在严重的安全隐患。因此，在设计水闸时应根据水力学理论，分析过闸水流的动力学特性，选择合适的消能方式并准确计算对应设施的结构尺寸，保证水闸运行的工程安全。