摘要：本文首先分析了水閘下游沖刷破壞的原因，主要對采用底流消能的水閘,然后提出如何通過設計與運行管理緊密結合,有效防止水閘下游沖刷破壞的具體對策，本文是個人的一些見解和觀點，可供同行參考。

　　關鍵詞：水閘；沖刷破壞；底流消能；運行管理

　　一、水閘下游沖刷破壞產生的原因

　　1、閘下沖刷破壞的水力學原因。底流消能的原理是當水閘泄放的集中急流沿消力池底部流動,遇到有足夠深度的緩流尾水頂托時,會突然轉變為緩流,這種現象稱為水躍,水躍既是流態轉變的過程,也是水流消能的過程。完善的水閘消能工設計,就是要做到消力池有合適的形狀、深度和長度,使在消力池內產生淹沒水躍,當水流流出消力池時,流態均勻、流速轉慢,才不會造成下游沖刷破壞。通常,水閘下游消能的最不利條件包括:出現最大流量,或出現某一特定流量與上下游水位差較大組合的情況,在水閘實際運用過程中,這兩種情況都有可能出現,并造成下游沖刷破壞。這就是閘下沖刷破壞產生的水力學原因。

　　2、產生流量與水位失衡和閘下沖刷破壞的其他原因。一是自然、社會經濟條件改變。例如:全球氣候變暖導致河流水文環境的巨大變化;多形式投資進入河流梯級開發領域等等。二是對閘下消能工設計的理解有偏差。閘下消能工設計首先是消力池設計,雖然已經有一套成熟的理論、實驗公式和參數,并已列入規范,但如果設計考慮的流量、水位條件或兩者的組合不適當,也會導致消力池設計失敗,即沒能實現在消力池內形成水躍消能。其次,即便是成功的消力池設計,按照設計設想,水流在消力池內實現從急流到緩流的過渡(水躍消能),但對多數工程來說,此時緩流的流速仍然大于下游河床的不沖流速,因此需設置下游海漫和防沖槽來確保水流從消力池出口到下游河床的平穩擴散,避免造成下游河床的沖刷破壞并上溯(回淘)而影響到消力池的安全。三是水流擴散不良造成泄流集中。根據實驗研究和大量的工程實踐,水閘翼墻擴散角度宜控制在7b~12b之間。擴散角不夠,水流擴散不良,容易發生沖刷;擴散角過大,也可能產生閘下游兩側回流,擠迫出閘水流,從而加劇沖刷。四是閘上下游連接段的河道與水流形態。在彎曲河段或原河寬度比水閘寬度大很多的情況下,水閘布置考慮不周也容易造成閘下游的局部沖刷破壞。五是操作規程不健全,閘門操作不當多數工程閘門操作規程都只是套用通用的均勻、同步、對稱開關,以及中間、兩邊的先后等內容,水閘設計書提出的運用方案也只限于上游什么水位放多大流量,到提出閘上游水位~上下游水位差~閘門開度~流量關系曲線圖為止,沒有根據具體工程的上下游水位、流量和河道水流形態、地質條件定出具體的操作方案。至于運行管理方面的問題就更多,首先,存在沒有按水利部和財政部頒發的《水利工程管理單位定崗標準(試點)》配備合格運行管理人員的現象;其次,還有部分工程的閘門啟閉機設備不具備按要求靈活開關閘門的條件,如一機多門、動力不足、操作系統不完善等;再次,不按規程要求進行閘門開關操作。六是過量、無序采挖河砂。超采河砂現象,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。

　　二、水閘下游沖刷破壞的防止方法分析

　　水閘怎樣操作運行,才能防止沖刷破壞?這些問題只有統一考慮,采取綜合的措施,才能有效地解決。下面著重探討如何從設計到運行過程解決流量與水位失衡的問題。一般來說,水閘下游的設計水位依據是閘下游河道(或渠道)水位流量關系曲線,但當水閘從關閉到開啟,或者突然加大流量時,閘下游消力池的水位往往低于閘下游水位流量關系曲線上對應查出的水位,因而出現流量與水位失衡問題,對于這個問題,20世紀80年代以來,曾經提出不同的解決方法:

　　1、1982年出版,由華東水利學院主編的《水工設計手冊(6)》中提出,水閘消能設計考慮閘下水位升高過程滯后于水閘放泄流量增大過程的情況,選用相應于前一級開度泄流量對應的下游水位作為設計下游水位。這種方法,比直接按過閘流量查閘下游河道水位流量關系曲線得出的水位來進行消能工設計安全,被許多設計人員采用。但這種方法并沒有定量依據,有很多任意性和不確定因素,事實證明,采用降低一級水位來進行消能設計,設計出的消力池的安全度有所提高,但不能完全解決流量與水位失衡的問題,按這種方法設計的有些水閘仍然出現下游沖刷破壞現象。

　　2、研究結果,得出了計算閘門全部開啟瞬間消力池下游水深的公式,以此算出下游水深作為水閘消能防沖設計條件。需要指出的是,這次試驗研究是在灌渠節制閘上進行,渠道寬與閘孔凈寬比為2：1,試驗最大單寬流量近6m3/(s·m),閘門全開最長時間為30min。資料表明,該研究成果較好地解決了近似水力條件水閘的閘下防沖設計問題。對于情況復雜得多的平原河流上的水閘,此研究結果的水深計算公式不適用,但這個試驗研究的思路是有啟發和參考價值的。

　　3、按“閘下水位~安全流量關系”圖進行水閘的操作運用是解決流量與水位失衡問題、防止水閘下游沖刷破壞的較有效方法。

　　三、“閘下水位~安全流量關系”圖應用中可能發生的問題及處理措施

　　1、從開始開閘至達到指令要求泄放的流量,需要一定的時間,這個時間可以用下游河道非恒定流計算或通過水工模型試驗得出。對已建成水閘則可通過實際放水過程測定得出。如果要求按時達到預定放泄流量,就必須預先掌握水情或有效的洪水預報,特別是在下游河道無水的情況下,更要考慮達到要求流量的歷時,提前按前述方法開閘,確保泄放大流量時下游有足夠的水深。

　　2、由于自然條件變化和人類活動影響造成下游河道水位嚴重降低,會出現按“閘下水位~安全流量關系”圖開閘,已無法泄放水閘原設計流量的情況;或者,出現在開閘放水過程產生超過原設計的閘上游水位壅高。面對這些水力條件變化,設計和運行管理單位應該對可能出現的各種情況事先做出預案。一種情況是按原設計流量泄水產生的上游水位壅高增加或根據下游水位相應安全流量減小了水閘下泄流量而引起上游水位壅高,但仍然在上游防洪可以承受的范圍內,可考慮上游加強防護、加高堤壩或提供補償等預案措施;另一種情況是當減小泄流量造成的水位壅高超出上游防洪可承受范圍,則水閘不得不以超出安全下泄流量范圍的流量泄流,超安全流量泄流意味著極可能造成消能工及下游的沖刷破壞,預料到這種情況,應提出水閘本身的搶險預案,采取應急臨時措施,盡可能減小超流量泄流對閘下設施、河床河岸沖刷損壞的發生或破壞的程度,在洪水過后及時搶修、修復。此外,還要研究已有水閘的閘下消能工改建、完善措施,做到預防在先、有備無患。

　　作者郭東紀

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