水閘沖刷計(jì)算分析研究
摘要:水閘泄水時(shí)部分勢(shì)能轉(zhuǎn)為動(dòng)能，流速增大，因此水閘的沖刷現(xiàn)象是常見(jiàn)的，而抑制這種沖刷的計(jì)算則成為一個(gè)普遍且嚴(yán)重的問(wèn)題，閘下有害沖刷原因是多方面的，有的是設(shè)計(jì)不當(dāng)，有的是運(yùn)用管理不善，本文以實(shí)例就對(duì)消能設(shè)計(jì)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(jì)角度以及運(yùn)用管理以及對(duì)下游河床的監(jiān)管等進(jìn)行論述。
關(guān)鍵詞:消力池；設(shè)計(jì)條件；公式；海漫；臨界水深
水流過(guò)閘后，在消力池內(nèi)產(chǎn)生水躍，使閘下急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，通過(guò)水躍消耗的能量Ej與躍前斷面的能量Ei之比，稱(chēng)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(dāng)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(duì)消能工設(shè)計(jì)條件及下游水深hs，對(duì)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(shí)際運(yùn)行工況及消能工破壞實(shí)例分析，水閘消能工設(shè)計(jì)的控制條件，往往不一定是以泄放設(shè)計(jì)洪水時(shí)為最不利工況，而且，不同類(lèi)型的水閘的消能設(shè)計(jì)條件也不相同，故在消能工的設(shè)計(jì)中，除需要考慮上下游水位、過(guò)閘流量、閘門(mén)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(jì)的最不利組合，設(shè)計(jì)中切不可簡(jiǎn)單地加以假定。筆者通過(guò)對(duì)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(jì)算深度過(guò)深或形成不了淹沒(méi)水躍，消能率較低的主要原因?yàn)椋?span id="rtsj1mg" class="Apple-converted-space">
?。ㄒ唬┯捎谑苌嫌魏樗髁亢拖掠纬蔽徊粩嘧兓挠绊?，過(guò)閘水流的水位、流量及流速均在不斷變化，設(shè)計(jì)者計(jì)算時(shí)未能加以一一分析，而是簡(jiǎn)單地定了一個(gè)上下游水位；
（二）下游水位很低時(shí)，未能結(jié)合對(duì)下游水面曲線的分析，考慮對(duì)閘門(mén)的開(kāi)度、啟閉順序進(jìn)行控制或設(shè)置多級(jí)消力池；
?。ㄈ┪茨芙Y(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(jì)
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消力池出口處水深應(yīng)按寬頂堰自由出流公式計(jì)算。根據(jù)一定的閘下排出流量，即可按此式計(jì)算出H0，并扣去行進(jìn)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(duì)比，即為淹沒(méi)系數(shù)δ，要求δ值在1.05-1。1之間。如果不合，可以調(diào)整消力池開(kāi)挖深度，使之基本吻合。
以上的計(jì)算僅表示池內(nèi)水深已經(jīng)淹沒(méi)。急流動(dòng)能亦有所消減，但是水流出池后，仍又能對(duì)下游海漫造成很大沖刷，嚴(yán)重影響閘室安全。所以還需計(jì)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(jìn)一步消除急流動(dòng)能。由于海漫一般都設(shè)計(jì)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)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。
（二）下游水深hk
下游水深對(duì)出流沒(méi)有影響，故池內(nèi)淹沒(méi)情況仍可按寬頂堰自由出流公式計(jì)算。對(duì)于水平調(diào)整后的水深可按hs計(jì)算，由于愈向下流速愈小，對(duì)海漫的沖刷亦愈小。但對(duì)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(jì)和施工。
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消力池出口為淹沒(méi)流。由于下游水位抬高，消力池出口處的水深亦相應(yīng)增加，因而在保證相同淹沒(méi)系數(shù)情況下。消力池可以開(kāi)挖得稍淺一些。
三、 實(shí)例介紹
為進(jìn)一步分析消能防沖設(shè)施，以實(shí)例進(jìn)行細(xì)致探討，設(shè)定某閘為2×4m，上游水位3.40m，下游水位1.5m，該閘底板高程1.0 m，初步擬定的消能防沖結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。
（一）求過(guò)閘流量Q
按寬頂堰自由出流公式計(jì)算：參數(shù)選取e(側(cè)收縮系數(shù))=O.95，Ho≈H=2.4m，B=8m，m=O．385(當(dāng)檻高P=0時(shí))
求得：Q=O.95×O.385×8×4.429×2.41.5= 48.18 m3/s
（二）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l.2m，則池底高程-O.2m，故E0=3.40+O.2=3.60m
出口處B=2×4+1=9m，單寬流量q=48.18/9=5.353m2/s
φ=O.95，g=9.81(常數(shù))，把以上數(shù)字代入公式，通過(guò)試算可求出hc=O.754 m，再把 代入求hc”的公式中，得hc”= 2.432 m
（三）求消力池出口的水深
先求hk
B=9+2×l7×tg8o=13.78 m，q=48.18/13.78=3.496 m2/s,hk=(q2/g)1/3
計(jì)算求得hk=1.076m
由于下游水深為O.5m
H0=(q/(2g)1/em )2/3，e為側(cè)收縮系數(shù)o.95，m=O.385，q=3.496
計(jì)算求得H0==1.67m
扣去行進(jìn)流速水頭v02/2g=3.4962/19.62×(2.432×1.05)2=0.096m,
則得實(shí)際堰頂水深Hl=H0-v02/2g=1.67-0.096=1.574m
淹沒(méi)系數(shù)δ=（1.574+1.2）/2.432=1.141>1.05淹沒(méi)。
根據(jù)以上計(jì)算，淹沒(méi)系數(shù)略大于1.1，因此水躍已被淹沒(méi)，十分安全。再檢驗(yàn)當(dāng)消力池出口水位為2.574m時(shí)，是否會(huì)影響閘下的出流，只需把這一水位換算成閘門(mén)出口處的水深即可。換算水深Hs=2.574—1.0=1.574 m，則Hs/H=1.574/2.4=0.656<0.8O，故不會(huì)影響閘門(mén)下的出流。
（四）與下游水位的連接問(wèn)題
通過(guò)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=(3.4962/9.81)1/3=1.076m
此處的流速V=48.18/1.076×13.78 =3.249 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(dá)與陡坡相適應(yīng)的正常水位H0，然后再向下推出Bl型降水曲線。當(dāng)推出的水位到達(dá)下游水位時(shí)，可不再推求。根據(jù)以上計(jì)算原則，可以求出在海漫始端V=3.249 m／s；在距始端1．0 m處，v=3.914m／s，在距始端7.45 m處，Vmax均=5.469 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(guò)計(jì)算可知，海漫上可發(fā)生最大流速Vmax均=5.469 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(yù)制塊砌筑(厚O.2一O.3 m)，其允許流速V≥6m/s，屬于安全。
（五）其它導(dǎo)致沖刷嚴(yán)重，消能不利的因素
1、操作規(guī)程不健全，閘門(mén)操作不當(dāng)：多數(shù)工程閘門(mén)操作規(guī)程都只是套用通用的均勻、同步、對(duì)稱(chēng)開(kāi)關(guān)，以及中間、兩邊的先后等內(nèi)容，沒(méi)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(guò)量、無(wú)序采挖河砂：采砂未經(jīng)規(guī)劃或許可，未能實(shí)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(guò)量挖砂，造成閘下水位降低，水閘泄水時(shí)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(yīng)特別加強(qiáng)對(duì)水閘下游一定范圍內(nèi)采砂活動(dòng)的管理、監(jiān)督。
四、結(jié)語(yǔ)
水閘消能防沖歷來(lái)是十分重要的研究課題，特別是在粉砂地基上建閘，更需認(rèn)真對(duì)待，使建成后的水閘都能安全運(yùn)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，以設(shè)計(jì)出最優(yōu)最安全的工程。
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按寬頂堰自由出流公式計(jì)算：參數(shù)選取e(側(cè)收縮系數(shù))=O.95，Ho≈H=2.4m，B=8m，m=O．385(當(dāng)檻高P=0時(shí))
求得：Q=O.95×O.385×8×4.429×2.41.5= 48.18 m3/s
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E0=hc+q2/2gφ2hc2，假定消力池池深l.2m，則池底高程-O.2m，故E0=3.40+O.2=3.60m
出口處B=2×4+1=9m，單寬流量q=48.18/9=5.353m2/s
φ=O.95，g=9.81(常數(shù))，把以上數(shù)字代入公式，通過(guò)試算可求出hc=O.754 m，再把 代入求hc”的公式中，得hc”= 2.432 m
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先求hk
B=9+2×l7×tg8o=13.78 m，q=48.18/13.78=3.496 m2/s,hk=(q2/g)1/3
計(jì)算求得hk=1.076m
由于下游水深為O.5m
H0=(q/(2g)1/em )2/3，e為側(cè)收縮系數(shù)o.95，m=O.385，q=3.496
計(jì)算求得H0==1.67m
扣去行進(jìn)流速水頭v02/2g=3.4962/19.62×(2.432×1.05)2=0.096m,
則得實(shí)際堰頂水深Hl=H0-v02/2g=1.67-0.096=1.574m
淹沒(méi)系數(shù)δ=（1.574+1.2）/2.432=1.141>1.05淹沒(méi)。
根據(jù)以上計(jì)算，淹沒(méi)系數(shù)略大于1.1，因此水躍已被淹沒(méi)，十分安全。再檢驗(yàn)當(dāng)消力池出口水位為2.574m時(shí)，是否會(huì)影響閘下的出流，只需把這一水位換算成閘門(mén)出口處的水深即可。換算水深Hs=2.574—1.0=1.574 m，則Hs/H=1.574/2.4=0.656<0.8O，故不會(huì)影響閘門(mén)下的出流。
?。ㄋ模┡c下游水位的連接問(wèn)題
通過(guò)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=(3.4962/9.81)1/3=1.076m
此處的流速V=48.18/1.076×13.78 =3.249 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(dá)與陡坡相適應(yīng)的正常水位H0，然后再向下推出Bl型降水曲線。當(dāng)推出的水位到達(dá)下游水位時(shí)，可不再推求。根據(jù)以上計(jì)算原則，可以求出在海漫始端V=3.249 m／s；在距始端1．0 m處，v=3.914m／s，在距始端7.45 m處，Vmax均=5.469 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(guò)計(jì)算可知，海漫上可發(fā)生最大流速Vmax均=5.469 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(yù)制塊砌筑(厚O.2一O.3 m)，其允許流速V≥6m/s，屬于安全。
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1、操作規(guī)程不健全，閘門(mén)操作不當(dāng)：多數(shù)工程閘門(mén)操作規(guī)程都只是套用通用的均勻、同步、對(duì)稱(chēng)開(kāi)關(guān)，以及中間、兩邊的先后等內(nèi)容，沒(méi)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(guò)量、無(wú)序采挖河砂：采砂未經(jīng)規(guī)劃或許可，未能實(shí)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(guò)量挖砂，造成閘下水位降低，水閘泄水時(shí)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(yīng)特別加強(qiáng)對(duì)水閘下游一定范圍內(nèi)采砂活動(dòng)的管理、監(jiān)督。
四、結(jié)語(yǔ)
水閘消能防沖歷來(lái)是十分重要的研究課題，特別是在粉砂地基上建閘，更需認(rèn)真對(duì)待，使建成后的水閘都能安全運(yùn)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，以設(shè)計(jì)出最優(yōu)最安全的工程。