水閘沖刷計算分析研究

水閘沖刷計算分析研究

摘要:水閘泄水時部分勢能轉(zhuǎn)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(shè)計不當，有的是運用管理不善，本文以實例就對消能設(shè)計條件、躍前水深、躍后水深、下游水深，以及他們之間相互關(guān)系從設(shè)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(guān)鍵詞:消力池；設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)榫徚鳎ㄟ^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(shè)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(shè)計的控制條件，往往不一定是以泄放設(shè)計洪水時為最不利工況，而且，不同類型的水閘的消能設(shè)計條件也不相同，故在消能工的設(shè)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(shè)計的最不利組合，設(shè)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(jié)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：

由于受上游洪水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(shè)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；

下游水位很低時，未能結(jié)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(shè)置多級消力池；

未能結(jié)合設(shè)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(shè)計

下游水深hs<HK(臨界水深)

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(shè)計成1:1O或1:20的陡坡，并在其前設(shè)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。

下游水深hk<HS<

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(guān)系到河道的沖刷安全，必需精心設(shè)計和施工。

下游水深

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(shè)施，以實例進行細致探討，設(shè)定某閘為2×4m，上游水位，下游水位，該閘底板高程m，初步擬定的消能防沖結(jié)構(gòu)見圖。

求過閘流量Q

按寬頂堰自由出流公式計算：參數(shù)選取e(側(cè)收縮系數(shù))=，Ho≈H=，B=8m，m=O．385(當檻高P=0時)

求得：Q=××8××=m3/s

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，則池底高程-，故E0=+=

出口處B=2×4+1=9m，單寬流量q=/9=/s

φ=，g=(常數(shù))，把以上數(shù)字代入公式，通過試算可求出hc=m，再把代入求hc”的公式中，得hc”=m

求消力池出口的水深

先求hk

B=9+2×l7×tg8o=m，q=/=m2/s,hk=(q2/g)1/3

計算求得hk=

由于下游水深為<HK，故出口處可按寬頂堰自由出流公式計算H0

H0=(q/(2g)1/em)2/3，e為側(cè)收縮系數(shù)，m=，q=

計算求得H0==

扣去行進流速水頭v02/2g=/×(×)2=,

則得實際堰頂水深Hl=H0-v02/2g==

淹沒系數(shù)δ=/=淹沒。

根據(jù)以上計算，淹沒系數(shù)略大于，因此水躍已被淹沒，十分安全。再檢驗當消力池出口水位為時，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=—=m，則Hs/H=/=，故不會影響閘門下的出流。

與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=(/)1/3=

此處的流速V=/×=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=m／s；在距始端1．0m處，v=／s，在距始端m處，Vmax均=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=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(厚一m)，其允許流速V≥6m/s，屬于安全。

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(guān)，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(jié)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(shè)計出最優(yōu)最安全的工程。

求過閘流量Q

按寬頂堰自由出流公式計算：參數(shù)選取e(側(cè)收縮系數(shù))=，Ho≈H=，B=8m，m=O．385(當檻高P=0時)

求得：Q=××8××=m3/s

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，則池底高程-，故E0=+=

出口處B=2×4+1=9m，單寬流量q=/9=/s

φ=，g=(常數(shù))，把以上數(shù)字代入公式，通過試算可求出hc=m，再把代入求hc”的公式中，得hc”=m

求消力池出口的水深

先求hk

B=9+2×l7×tg8o=m，q=/=m2/s,hk=(q2/g)1/3

計算求得hk=

由于下游水深為<HK，故出口處可按寬頂堰自由出流公式計算H0

H0=(q/(2g)1/em)2/3，e為側(cè)收縮系數(shù)，m=，q=

計算求得H0==

扣去行進流速水頭v02/2g=/×(×)2=,

則得實際堰頂水深Hl=H0-v02/2g==

淹沒系數(shù)δ=/=淹沒。

根據(jù)以上計算，淹沒系數(shù)略大于，因此水躍已被淹沒，十分安全。再檢驗當消力池出口水位為時，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=—=m，則Hs/H=/=，故不會影響閘門下的出流。

與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=(/)1/3=

此處的流速V=/×=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=m／s；在距始端1．0m處，v=／s，在距始端m處，Vmax均=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=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(厚一m)，其允許流速V≥6m/s，屬于安全。

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(guān)，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