摘要：平原地区的河床抗冲能力相对于非土质河床较低，在泄洪时容易在水闸下游产生冲刷现象。文中分析了平原水闸消能防冲设计的水流原因，详细分析了平原地区消能防冲设计中消力池、海漫、防冲槽的防护设计方法。
关键词：平原地区；水闸消能；防冲设计
引言
在平原区软基上建的水闸消能防冲设施根据过闸流量、工程地质条件、消能防冲要求等条件，一般主要布置形式包括水闸闸室下游的护坦(又称消力池)，海漫及海漫末端的防冲墙。护坦(又称消力池)的主要功能是消除过闸水流的能量，防止冲刷下游河床。海漫的主要功能是使流出消力池水流回复正常状态，最大程度减少紊流，减小底部流速，使水流平稳扩散，调整流速分布，继续消除水流的剩余动能，流出护坦的水流与下游河道平顺衔接。海漫末端防冲墙的主要功能是防止海漫末端被水流冲刷淘空。
1水闸消能防冲设计的原因
水闸过水时水流往往具有较大的动能，经过消能后还会有一定的余能，将对下游河床产生不同程度的冲刷。有的冲刷是有害的，必须采取措施加以防止；有的并不引起危害作用，是允许的。闸后水流形态对下游河床冲刷的影响很大。平原地区河渠横断面往往宽而浅，河宽常大于闸宽，过闸水流不易均匀扩散，在主流部分保持较大的流速，而且主流方向还经常左右摆动，这就是折冲水流，能直接冲刷河岸和河床。造成折冲水流的原因很多，如下游翼墙扩散角太大，水流不能很快地扩散，以致在两侧翼墙附近产生回流。此时主流受到回流的挤压更加集中，进而便形成折冲水流；如工程布置不当，闸前来水不平顺，以及消能设施不当，或者运用管理不善，闸门开启不对称以及单孔开闸等，都是产生折冲水流的原因。另外，当水流的弗劳德数很小时，还会出现波状水跃，此时水面呈波动状前进，无强烈的水跃漩滚，消能效果甚微。由于水流前进速度较大，易和下游翼墙分离，致使两侧产生回流，因而缩小渠道的有效宽度，增加局部地方的单宽流量，其冲刷作用也相当严重。因此，要采取相应措施，如在闸室下游端部设置小槛，使水流越过小槛，跌入消力池内，促使其形成底流水跃。
2消能防冲设计
底流消能一般由消力池、海漫、防冲槽等三个部分组成。消力池紧接闸室，其作用是促成水跃，并保护地基免受冲刷。海漫紧接消力池，其作用是继续消除水流的剩余动能，使水流扩散并调整流速分布，以减小底部流速，从而保护河床免受冲刷。为了进一步防止冲刷，在海漫的末端设置防冲槽。
2.1消力池
消力池主要有三种类型：挖深式消力池，即降低护坦高程所形成的消力池；尾坎式消力池，即护坦高程不降低，在其末端修建消能坎形成的平底消力池；综合式消力池，既有挖深又筑有低坎的消力形式，在工程上较为常用。
（1）消力池的布置
消力池的深度和池底高程是根据上、下游水位，过闸流量和地形、地质等条件进行水跃计算得出的，有时计算的池深结果为零或负值，从理论上讲不必设消力池，但在实际工程中仍设置0.5~1.0m深的消力池，这对稳定水跃位置，充分消能及调整消力池后的流速分布等方面都有利。消力池长度的基本要求是保证水跃发生在池内，故消力池的长度与水跃长度有关。水平护坦上无任何尾坎时的水跃，称为自由水跃，它需要的消力池较长，且不易适应各级泄流量，很少用于实际工程。
（2）辅助消能工
当水流流速小于16m/s时，有的水闸在消力池中加设辅助消能工，以提高消能效率，减小消力池长度及深度，或降低尾坎的高度。常用的辅助消能工是趾墩和消力墩。趾墩位于消力池斜坡段末端，它可增加收缩段断面的水深，以减小共轭水深，从而降低消力池深度及尾槛高度。消力墩在平面上可以分散水流，增加消能效果，但当水头较低时，消能效果不明显，甚至会使水流发生紊乱。
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（3）护坦构造
消力池的底板又称护坦，承受高速水流的冲击、脉动压力的颤动以及扬压力的顶托，其作用不仅促使水流在底板（护坦）范围内产生水跃，而且保护河床免受冲刷。其受力条件比较复杂，一旦破坏，就会影响到整个水闸的安全。护坦的厚度一般情况下是等厚的，也可采用不同的厚度，靠近闸室的一端大，向下游逐渐减小。护坦厚度要根据抗冲与抗浮的稳定性分别计算。
2.2海漫及防冲槽
过闸水流经过水跃消能后，一般能消除40%~70%的能量，紊动现象仍很剧烈，底部流速较大，分布亦不均匀，具有较强的冲刷能力。如将消力池直接与河道连接必将引起严重冲刷，故在消力池后面仍要继续采取防冲加固措施，消散这部分能量。一般在消力池后面设置海漫及防冲槽。
（1）海漫的长度
海漫长度原则上应以海漫末端不发生冲刷或局部冲刷坑深度不超过允许数值为依据，取决于消力池末端单宽流量、河床土质抗冲能力、海漫表面粗糙度以及水流在海漫上扩散等因素。
（2）海漫构造
海漫根据下游冲刷情况，可采用水平海漫或斜坡式海漫。斜坡式海漫可以减小冲刷坑底与海漫末端的高差，促进水流在铅直方向扩散、调整流速分布，达到提高防冲效果的目的，亦可减少海漫末端的防冲加固工程量。海漫根据下游冲刷情况，可采用水平海漫或斜坡式海漫。斜坡式海漫可以减小冲刷坑底与海漫末端的高差，促进水流在铅直方向扩散、调整流速分布，达到提高防冲效果的目的，亦可减少海漫末端的防冲加固工程量。但倾斜海漫不利于水流的平面扩散，单宽流量相对集中，所以海漫的倾斜度不宜陡于1：10。为了促进水流更好地扩散，在平面上可采取向两侧逐渐扩散的布置方式。海漫应具有一定的柔性以适应地基的变形，其结构应是粗糙且透水的，以利于消除水流余能，并使海漫下的渗透水流顺利排出，以增加海漫的稳定性。海漫材料可根据流速进行选择，常用的有混凝土、浆砌块石及干砌块石等几种。
（3）防冲槽
经过海漫末端的水流仍具有一定的动能，仍有冲刷能力，甚至危及护坦的稳定性。如果河床完全没有冲刷，海漫必须做的很长，既不经济也完全没有必要，一般在海漫末端设置防冲槽。防冲槽是在海漫末端开挖的土槽中堆放石块形成的，槽顶与海漫末端平齐，槽底高程取决于堆石数量，并适当考虑施工开挖条件的限制，集中堆放，厚度根据冲刷坑断面确定，一般不小于1.5~2.0m。当河床受到冲刷后，槽内石块即自动坍塌在冲刷坑内，以防止冲刷坑向上游延伸而破坏海漫。由于过水断面增大，流速减小，就可以防止水流对下游河床的进一步破坏。
（4）上、下游河岸的防护
为使上、下游保护段的两岸不受水流冲刷的危害，需要进行河岸防护。护岸长度一般均大于护底长度，至少要延伸到估算的冲刷坑末端。上游水流平稳，护岸长度与强度均可小于下游护岸。护坡顶部应在最高水位以上，并适当考虑防浪高度。靠近闸室的一段距离内，由于流速较大，护岸材料一般都采用浆砌块石、现浇混凝土或混凝土预制块，其他部分则用干砌块石。块石护坡厚度约为 0.3~0.5m，混凝土护岸一般 0.12~O.15m。下垫 10cm 碎石及粗砂垫层。
结束语
平原地区土质河道的抗冲能力较低，通过消力池、海漫、防冲槽以及上下游河岸的防护措施能够有效提升水闸的消能防冲能力；同时合理布置水闸平面及上下游连接段，制订完善的闸门操作制度，妥善保护下游河岸，可促使水流均匀扩散，最大限度地降低水闸下游冲刷带来的危害，从而保障人民生命财产安全。
参考文献
[1]《水闸设计》委员会. 水闸设计[M]. 中国水利水电出版社, 2013.
[2]江苏省水利勘测设计院. 水闸设计规范SD133-84[M]. 水利电力出版社, 1985.
论文作者:唐波,陈彩梅
论文发表刊物:《基层建设》2017年第32期
论文发表时间:2018/1/17
标签：水流论文; 水闸论文; 下游论文; 流速论文; 河床论文; 护岸论文; 平原论文; 《基层建设》2017年第32期论文;