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水闸冲刷计算分析研究
摘要:水闸泄水时部分势能转为动能，流速增大，因此水闸的冲刷现象是常见的，而抑制这种冲刷的计算则成为一个普遍且严重的问题，闸下有害冲刷原因是多方面的，有的是设计不当，有的是运用管理不善，本文以实例就对消能设计条件、跃前水深、跃后水深、下游水深，以及他们之间相互关系从设计角度以及运用管理以及对下游河床的监管等进行论述。
关键词:消力池；设计条件；公式；海漫；临界水深
水流过闸后，在消力池内产生水跃，使闸下急流转变为缓流，通过水跃消耗的能量Ej与跃前断面的能量Ei之比，称为水跃消能率。跃前断面的弗汝德数愈大，则消能率愈高。当Fr1在1O一40间，则Ej／Ei为28%一59%，低水头的水闸，由于Fr1较小，故水闸的消能率一般较低。针对消能工设计条件及下游水深hs，对消力池及海漫的影响作些探讨。
一、水闸消能工控制条件及消能不利原因
依据一些水闸的实际运行工况及消能工破坏实例分析，水闸消能工设计的控制条件，往往不一定是以泄放设计洪水时为最不利工况，而且，不同类型的水闸的消能设计条件也不相同，故在消能工的设计中，除需要考虑上下游水位、过闸流量、闸门启闭的组合程序等因素外，还必须做大量的分析工作，以确定消能工设计的最不利组合，设计中切不可简单地加以假定。笔者通过对一些消力池水力状况恶劣的水闸的观察分析，总结出消力池计算深度过深或形成不了淹没水跃，消能率较低的主要原因为：
（一）由于受上游洪水流量和下游潮位不断变化的影响，过闸水流的水位、流量及流速均在不断变化，设计者计算时未能加以一一分析，而是简单地定了一个上下游水位；
（二）下游水位很低时，未能结合对下游水面曲线的分析，考虑对闸门的开度、启闭顺序进行控制或设置多级消力池；
（三）未能结合设置一些消力墩等辅助消能工，促使水跃的发生。
二、 在不同下游水位情况下的消能防冲设计
（一）下游水深hs
消力池出口处水深应按宽顶堰自由出流公式计算。根据一定的闸下排出流量，即可按此式计算出H0，并扣去行进流速水头(在未求得正确的池末端水深前，此值可用δHc”代替)，这样，即可求出消力池末端水深，此值与Hc”对比，即为淹没系数δ，要求δ值在1.05-1。1之间。如果不合，可以调整消力池开挖深度，使之基本吻合。
以上的计算仅表示池内水深已经淹没。急流动能亦有所消减，但是水流出池后，仍又能对下游海漫造成很大冲刷，严重影响闸室安全。所以还需计算水面下降曲线，使水流出池后能与下游水面平稳连接，进一步消除急流动能。由于海漫一般都设计成1:1O或1:20的陡坡，并在其前设置>5m的水平调整段，理论上一般认为在平坡与陡坡交界处的水深为hk。因而，可根据已知的Qmax及hk值，向下推算海漫水面曲线。这是一条标准的M2型降水曲线，愈向下水深愈小，最后接近正常水深h0，流速变缓。
（二）下游水深hk
下游水深对出流没有影响，故池内淹没情况仍可按宽顶堰自由出流公式计算。对于水平调整后的水深可按hs计算，由于愈向下流速愈小，对海漫的冲刷亦愈小。但对于海漫末端的防冲槽，由于关系到河道的冲刷安全，必需精心设计和施工。
（三）下游水深hs>0.8Ho
消力池出口为淹没流。由于下游水位抬高，消力池出口处的水深亦相应增加，因而在保证相同淹没系数情况下。消力池可以开挖得稍浅一些。
三、 实例介绍
为进一步分析消能防冲设施，以实例进行细致探讨，设定某闸为2×4m，上游水位3.40m，下游水位1.5m，该闸底板高程1.0 m，初步拟定的消能防冲结构见图。
（一）求过闸流量Q
按宽顶堰自由出流公式计算：参数选取e(侧收缩系数)=O.95，Ho≈H=2.4m，B=8m，m=O．385(当槛高P=0时)
求得：Q=O.95×O.385×8×4.429×2.41.5= 48.18 m3/s
（二）求第1共轭水深hc和第2共轭水深hc”
E0=hc+q2/2gφ2hc2，假定消力池池深l.2m，则池底高程-O.2m，故E0=3.40+O.2=3.60m
出口处B=2×4+1=9m，单宽流量q=48.18/9=5.353m2/s
φ=O.95，g=9.81(常数)，把以上数字代入公式，通过试算可求出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
计算求得hk=1.076m
由于下游水深为O.5m
H0=(q/(2g)1/em )2/3，e为侧收缩系数o.95，m=O.385，q=3.496
计算求得H0==1.67m
扣去行进流速水头v02/2g=3.4962/19.62×(2.432×1.05)2=0.096m,
则得实际堰顶水深Hl=H0-v02/2g=1.67-0.096=1.574m
淹没系数δ=（1.574+1.2）/2.432=1.141>1.05淹没。
根据以上计算，淹没系数略大于1.1，因此水跃已被淹没，十分安全。再检验当消力池出口水位为2.574m时，是否会影响闸下的出流，只需把这一水位换算成闸门出口处的水深即可。换算水深Hs=2.574—1.0=1.574 m，则Hs/H=1.574/2.4=0.656<0.8O，故不会影响闸门下的出流。
（四）与下游水位的连接问题
通过5m的调整段，与坡度为1:10的海漫陡坡连接,陡坡起端的临界水深hk为：
hk=(q2/g)1/3=(3.4962/9.81)1/3=1.076m
此处的流速V=48.18/1.076×13.78 =3.249 m/s。由于海漫为1:10的陡坡，则愈向下流速愈大，最后水深到达与陡坡相适应的正常水位H0，然后再向下推出Bl型降水曲线。当推出的水位到达下游水位时，可不再推求。根据以上计算原则，可以求出在海漫始端V=3.249 m／s；在距始端1．0 m处，v=3.914m／s，在距始端7.45 m处，Vmax均=5.469 m/s(与下游水位齐平)，以后水深逐渐加大，流速亦逐步减小。通过计算可知，海漫上可发生最大流速Vmax均=5.469 m/s，已明显大于干砌块石的允许流速，故必须把海漫全段和调整段改为混凝土预制块砌筑(厚O.2一O.3 m)，其允许流速V≥6m/s，属于安全。
（五）其它导致冲刷严重，消能不利的因素
1、操作规程不健全，闸门操作不当：多数工程闸门操作规程都只是套用通用的均匀、同步、对称开关，以及中间、两边的先后等内容，没有根据具体工程的上下游水位、流量和河道水流形态、地质条件定出具体的操作方案。
2、过量、无序采挖河砂：采砂未经规划或许可，未能实现有效的采砂管理，普遍存在偷采、超采河砂现象，特别是水闸下游河道过量挖砂，造成闸下水位降低，水闸泄水时发生流量与水位失衡，这已成为水闸下游冲刷破坏的主要原因。所以应特别加强对水闸下游一定范围内采砂活动的管理、监督。
四、结语
水闸消能防冲历来是十分重要的研究课题，特别是在粉砂地基上建闸，更需认真对待，使建成后的水闸都能安全运行，发挥出最大的效益。并且要根据不同的工程情况，多进行现场调查，以设计出最优最安全的工程。
（一）求过闸流量Q
按宽顶堰自由出流公式计算：参数选取e(侧收缩系数)=O.95，Ho≈H=2.4m，B=8m，m=O．385(当槛高P=0时)
求得：Q=O.95×O.385×8×4.429×2.41.5= 48.18 m3/s
（二）求第1共轭水深hc和第2共轭水深hc”
E0=hc+q2/2gφ2hc2，假定消力池池深l.2m，则池底高程-O.2m，故E0=3.40+O.2=3.60m
出口处B=2×4+1=9m，单宽流量q=48.18/9=5.353m2/s
φ=O.95，g=9.81(常数)，把以上数字代入公式，通过试算可求出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
计算求得hk=1.076m
由于下游水深为O.5m
H0=(q/(2g)1/em )2/3，e为侧收缩系数o.95，m=O.385，q=3.496
计算求得H0==1.67m
扣去行进流速水头v02/2g=3.4962/19.62×(2.432×1.05)2=0.096m,
则得实际堰顶水深Hl=H0-v02/2g=1.67-0.096=1.574m
淹没系数δ=（1.574+1.2）/2.432=1.141>1.05淹没。
根据以上计算，淹没系数略大于1.1，因此水跃已被淹没，十分安全。再检验当消力池出口水位为2.574m时，是否会影响闸下的出流，只需把这一水位换算成闸门出口处的水深即可。换算水深Hs=2.574—1.0=1.574 m，则Hs/H=1.574/2.4=0.656<0.8O，故不会影响闸门下的出流。
（四）与下游水位的连接问题
通过5m的调整段，与坡度为1:10的海漫陡坡连接,陡坡起端的临界水深hk为：
hk=(q2/g)1/3=(3.4962/9.81)1/3=1.076m
此处的流速V=48.18/1.076×13.78 =3.249 m/s。由于海漫为1:10的陡坡，则愈向下流速愈大，最后水深到达与陡坡相适应的正常水位H0，然后再向下推出Bl型降水曲线。当推出的水位到达下游水位时，可不再推求。根据以上计算原则，可以求出在海漫始端V=3.249 m／s；在距始端1．0 m处，v=3.914m／s，在距始端7.45 m处，Vmax均=5.469 m/s(与下游水位齐平)，以后水深逐渐加大，流速亦逐步减小。通过计算可知，海漫上可发生最大流速Vmax均=5.469 m/s，已明显大于干砌块石的允许流速，故必须把海漫全段和调整段改为混凝土预制块砌筑(厚O.2一O.3 m)，其允许流速V≥6m/s，属于安全。
（五）其它导致冲刷严重，消能不利的因素
1、操作规程不健全，闸门操作不当：多数工程闸门操作规程都只是套用通用的均匀、同步、对称开关，以及中间、两边的先后等内容，没有根据具体工程的上下游水位、流量和河道水流形态、地质条件定出具体的操作方案。
2、过量、无序采挖河砂：采砂未经规划或许可，未能实现有效的采砂管理，普遍存在偷采、超采河砂现象，特别是水闸下游河道过量挖砂，造成闸下水位降低，水闸泄水时发生流量与水位失衡，这已成为水闸下游冲刷破坏的主要原因。所以应特别加强对水闸下游一定范围内采砂活动的管理、监督。
四、结语
水闸消能防冲历来是十分重要的研究课题，特别是在粉砂地基上建闸，更需认真对待，使建成后的水闸都能安全运行，发挥出最大的效益。并且要根据不同的工程情况，多进行现场调查，以设计出最优最安全的工程。
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