水闸下游裹头冲刷问题及对策

水闸下游裹头冲刷问题及对策

郭东纪

（东平湖管理局东平黄河河务局，山东东平271500）

摘要：本文首先分析了水闸下游冲刷破坏的原因，主要对采用底流消能的水闸,然后提出如何通过设计与运行管理紧密结合,有效防止水闸下游冲刷破坏的具体对策，本文是个人的一些见解和观点，可供同行参考。

关键词：水闸；冲刷破坏；底流消能；运行管理

一、水闸下游冲刷破坏产生的原因

1、闸下冲刷破坏的水力学原因。底流消能的原理是当水闸泄放的集中急流沿消力池底部流动,遇到有足够深度的缓流尾水顶托时,会突然转变为缓流,这种现象称为水跃,水跃既是流态转变的过程,也是水流消能的过程。完善的水闸消能工设计,就是要做到消力池有合适的形状、深度和长度,使在消力池内产生淹没水跃,当水流流出消力池时,流态均匀、流速转慢,才不会造成下游冲刷破坏。通常,水闸下游消能的最不利条件包括:出现最大流量,或出现某一特定流量与上下游水位差较大组合的情况,在水闸实际运用过程中,这两种情况都有可能出现,并造成下游冲刷破坏。这就是闸下冲刷破坏产生的水力学原因。

2、产生流量与水位失衡和闸下冲刷破坏的其他原因。一是自然、社会经济条件改变。例如:全球气候变暖导致河流水文环境的巨大变化;多形式投资进入河流梯级开发领域等等。二是对闸下消能工设计的理解有偏差。闸下消能工设计首先是消力池设计,虽然已经有一套成熟的理论、实验公式和参数,并已列入规范,但如果设计考虑的流量、水位条件或两者的组合不适当,也会导致消力池设计失败,即没能实现在消力池内形成水跃消能。其次,即便是成功的消力池设计,按照设计设想,水流在消力池内实现从急流到缓流的过渡(水跃消能),但对多数工程来说,此时缓流的流速仍然大于下游河床的不冲流速,因此需设置下游海漫和防冲槽来确保水流从消力池出口到下游河床的平稳扩散,避免造成下游河床的冲刷破坏并上溯(回淘)而影响到消力池的安全。三是水流扩散不良造成泄流集中。根据实验研究和大量的工程实践,水闸翼墙扩散角度宜控制在7b~12b之间。扩散角不够,水流扩散不良,容易发生冲刷;扩散角过大,也可能产生闸下游两侧回流,挤迫出闸水流,从而加剧冲刷。四是闸上下游连接段的河道与水流形态。在弯曲河段或原河宽度比水闸宽度大很多的情况下,水闸布置考虑不周也容易造成闸下游的局部冲刷破坏。五是操作规程不健全,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,水闸设计书提出的运用方案也只限于上游什么水位放多大流量,到提出闸上游水位~上下游水位差~闸门开度~流量关系曲线图为止,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。至于运行管理方面的问题就更多,首先,存在没有按水利部和财政部颁发的《水利工程管理单位定岗标准(试点)》配备合格运行管理人员的现象;其次,还有部分工程的闸门启闭机设备不具备按要求灵活开关闸门的条件,如一机多门、动力不足、操作系统不完善等;再次,不按规程要求进行闸门开关操作。六是过量、无序采挖河砂。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。

二、水闸下游冲刷破坏的防止方法分析

水闸怎样操作运行,才能防止冲刷破坏?这些问题只有统一考虑,采取综合的措施,才能有效地解决。下面着重探讨如何从设计到运行过程解决流量与水位失衡的问题。一般来说,水闸下游的设计水位依据是闸下游河道(或渠道)水位流量关系曲线,但当水闸从关闭到开启,或者突然加大流量时,闸下游消力池的水位往往低于闸下游水位流量关系曲线上对应查出的水位,因而出现流量与水位失衡问题,对于这个问题,20世纪80年代以来,曾经提出不同的解决方法:

1、1982年出版,由华东水利学院主编的《水工设计手册(6)》中提出,水闸消能设计考虑闸下水位升高过程滞后于水闸放泄流量增大过程的情况,选用相应于前一级开度泄流量对应的下游水位作为设计下游水位。这种方法,比直接按过闸流量查闸下游河道水位流量关系曲线得出的水位来进行消能工设计安全,被许多设计人员采用。但这种方法并没有定量依据,有很多任意性和不确定因素,事实证明,采用降低一级水位来进行消能设计,设计出的消力池的安全度有所提高,但不能完全解决流量与水位失衡的问题,按这种方法设计的有些水闸仍然出现下游冲刷破坏现象。

2、研究结果,得出了计算闸门全部开启瞬间消力池下游水深的公式,以此算出下游水深作为水闸消能防冲设计条件。需要指出的是,这次试验研究是在灌渠节制闸上进行,渠道宽与闸孔净宽比为2：1,试验最大单宽流量近6m3/(s·m),闸门全开最长时间为30min。资料表明,该研究成果较好地解决了近似水力条件水闸的闸下防冲设计问题。对于情况复杂得多的平原河流上的水闸,此研究结果的水深计算公式不适用,但这个试验研究的思路是有启发和参考价值的。

3、按“闸下水位~安全流量关系”图进行水闸的操作运用是解决流量与水位失衡问题、防止水闸下游冲刷破坏的较有效方法。

三、“闸下水位~安全流量关系”图应用中可能发生的问题及处理措施

1、从开始开闸至达到指令要求泄放的流量,需要一定的时间,这个时间可以用下游河道非恒定流计算或通过水工模型试验得出。对已建成水闸则可通过实际放水过程测定得出。如果要求按时达到预定放泄流量,就必须预先掌握水情或有效的洪水预报,特别是在下游河道无水的情况下,更要考虑达到要求流量的历时,提前按前述方法开闸,确保泄放大流量时下游有足够的水深。

2、由于自然条件变化和人类活动影响造成下游河道水位严重降低,会出现按“闸下水位~安全流量关系”图开闸,已无法泄放水闸原设计流量的情况;或者,出现在开闸放水过程产生超过原设计的闸上游水位壅高。面对这些水力条件变化,设计和运行管理单位应该对可能出现的各种情况事先做出预案。一种情况是按原设计流量泄水产生的上游水位壅高增加或根据下游水位相应安全流量减小了水闸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围内,可考虑上游加强防护、加高堤坝或提供补偿等预案措施;另一种情况是当减小泄流量造成的水位壅高超出上游防洪可承受范围,则水闸不得不以超出安全下泄流量范围的流量泄流,超安全流量泄流意味着极可能造成消能工及下游的冲刷破坏,预料到这种情况,应提出水闸本身的抢险预案,采取应急临时措施,尽可能减小超流量泄流对闸下设施、河床河岸冲刷损坏的发生或破坏的程度,在洪水过后及时抢修、修复。此外,还要研究已有水闸的闸下消能工改建、完善措施,做到预防在先、有备无患。

作者简介：郭东纪（1968-），山东梁山人，长期从事工程运行与建设管理，具有丰富的工程建设管理与施工经验。