水閘下游裹頭沖刷問(wèn)題及對(duì)策

　　摘要：本文首先分析了水閘下游沖刷破壞的原因，主要對(duì)采用底流消能的水閘,然后提出如何通過(guò)設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理緊密結(jié)合,有效防止水閘下游沖刷破壞的具體對(duì)策，本文是個(gè)人的一些見(jiàn)解和觀點(diǎn)，可供同行參考。

　　關(guān)鍵詞：水閘；沖刷破壞；底流消能；運(yùn)行管理

　　一、水閘下游沖刷破壞產(chǎn)生的原因

　　1、閘下沖刷破壞的水力學(xué)原因。底流消能的原理是當(dāng)水閘泄放的集中急流沿消力池底部流動(dòng),遇到有足夠深度的緩流尾水頂托時(shí),會(huì)突然轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?這種現(xiàn)象稱為水躍,水躍既是流態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程,也是水流消能的過(guò)程。完善的水閘消能工設(shè)計(jì),就是要做到消力池有合適的形狀、深度和長(zhǎng)度,使在消力池內(nèi)產(chǎn)生淹沒(méi)水躍,當(dāng)水流流出消力池時(shí),流態(tài)均勻、流速轉(zhuǎn)慢,才不會(huì)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(xiàn)最大流量,或出現(xiàn)某一特定流量與上下游水位差較大組合的情況,在水閘實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中,這兩種情況都有可能出現(xiàn),并造成下游沖刷破壞。這就是閘下沖刷破壞產(chǎn)生的水力學(xué)原因。

　　2、產(chǎn)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(huì)經(jīng)濟(jì)條件改變。例如:全球氣候變暖導(dǎo)致河流水文環(huán)境的巨大變化;多形式投資進(jìn)入河流梯級(jí)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域等等。二是對(duì)閘下消能工設(shè)計(jì)的理解有偏差。閘下消能工設(shè)計(jì)首先是消力池設(shè)計(jì),雖然已經(jīng)有一套成熟的理論、實(shí)驗(yàn)公式和參數(shù),并已列入規(guī)范,但如果設(shè)計(jì)考慮的流量、水位條件或兩者的組合不適當(dāng),也會(huì)導(dǎo)致消力池設(shè)計(jì)失敗,即沒(méi)能實(shí)現(xiàn)在消力池內(nèi)形成水躍消能。其次,即便是成功的消力池設(shè)計(jì),按照設(shè)計(jì)設(shè)想,水流在消力池內(nèi)實(shí)現(xiàn)從急流到緩流的過(guò)渡(水躍消能),但對(duì)多數(shù)工程來(lái)說(shuō),此時(shí)緩流的流速仍然大于下游河床的不沖流速,因此需設(shè)置下游海漫和防沖槽來(lái)確保水流從消力池出口到下游河床的平穩(wěn)擴(kuò)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(kuò)散不良造成泄流集中。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和大量的工程實(shí)踐,水閘翼墻擴(kuò)散角度宜控制在7b~12b之間。擴(kuò)散角不夠,水流擴(kuò)散不良,容易發(fā)生沖刷;擴(kuò)散角過(guò)大,也可能產(chǎn)生閘下游兩側(cè)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(tài)。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(guī)程不健全,閘門操作不當(dāng)多數(shù)工程閘門操作規(guī)程都只是套用通用的均勻、同步、對(duì)稱開(kāi)關(guān),以及中間、兩邊的先后等內(nèi)容,水閘設(shè)計(jì)書提出的運(yùn)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(kāi)度~流量關(guān)系曲線圖為止,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。至于運(yùn)行管理方面的問(wèn)題就更多,首先,存在沒(méi)有按水利部和財(cái)政部頒發(fā)的《水利工程管理單位定崗標(biāo)準(zhǔn)(試點(diǎn))》配備合格運(yùn)行管理人員的現(xiàn)象;其次,還有部分工程的閘門啟閉機(jī)設(shè)備不具備按要求靈活開(kāi)關(guān)閘門的條件,如一機(jī)多門、動(dòng)力不足、操作系統(tǒng)不完善等;再次,不按規(guī)程要求進(jìn)行閘門開(kāi)關(guān)操作。六是過(guò)量、無(wú)序采挖河砂。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。

　　二、水閘下游沖刷破壞的防止方法分析

　　水閘怎樣操作運(yùn)行,才能防止沖刷破壞?這些問(wèn)題只有統(tǒng)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(shè)計(jì)到運(yùn)行過(guò)程解決流量與水位失衡的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō),水閘下游的設(shè)計(jì)水位依據(jù)是閘下游河道(或渠道)水位流量關(guān)系曲線,但當(dāng)水閘從關(guān)閉到開(kāi)啟,或者突然加大流量時(shí),閘下游消力池的水位往往低于閘下游水位流量關(guān)系曲線上對(duì)應(yīng)查出的水位,因而出現(xiàn)流量與水位失衡問(wèn)題,對(duì)于這個(gè)問(wèn)題,20世紀(jì)80年代以來(lái),曾經(jīng)提出不同的解決方法:

　　1、1982年出版,由華東水利學(xué)院主編的《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)(6)》中提出,水閘消能設(shè)計(jì)考慮閘下水位升高過(guò)程滯后于水閘放泄流量增大過(guò)程的情況,選用相應(yīng)于前一級(jí)開(kāi)度泄流量對(duì)應(yīng)的下游水位作為設(shè)計(jì)下游水位。這種方法,比直接按過(guò)閘流量查閘下游河道水位流量關(guān)系曲線得出的水位來(lái)進(jìn)行消能工設(shè)計(jì)安全,被許多設(shè)計(jì)人員采用。但這種方法并沒(méi)有定量依據(jù),有很多任意性和不確定因素,事實(shí)證明,采用降低一級(jí)水位來(lái)進(jìn)行消能設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)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(wèn)題,按這種方法設(shè)計(jì)的有些水閘仍然出現(xiàn)下游沖刷破壞現(xiàn)象。

　　2、研究結(jié)果,得出了計(jì)算閘門全部開(kāi)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(shè)計(jì)條件。需要指出的是,這次試驗(yàn)研究是在灌渠節(jié)制閘上進(jìn)行,渠道寬與閘孔凈寬比為2：1,試驗(yàn)最大單寬流量近6m3/(s·m),閘門全開(kāi)最長(zhǎng)時(shí)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(shè)計(jì)問(wèn)題。對(duì)于情況復(fù)雜得多的平原河流上的水閘,此研究結(jié)果的水深計(jì)算公式不適用,但這個(gè)試驗(yàn)研究的思路是有啟發(fā)和參考價(jià)值的。

　　3、按“閘下水位~安全流量關(guān)系”圖進(jìn)行水閘的操作運(yùn)用是解決流量與水位失衡問(wèn)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(guān)系”圖應(yīng)用中可能發(fā)生的問(wèn)題及處理措施

　　1、從開(kāi)始開(kāi)閘至達(dá)到指令要求泄放的流量,需要一定的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間可以用下游河道非恒定流計(jì)算或通過(guò)水工模型試驗(yàn)得出。對(duì)已建成水閘則可通過(guò)實(shí)際放水過(guò)程測(cè)定得出。如果要求按時(shí)達(dá)到預(yù)定放泄流量,就必須預(yù)先掌握水情或有效的洪水預(yù)報(bào),特別是在下游河道無(wú)水的情況下,更要考慮達(dá)到要求流量的歷時(shí),提前按前述方法開(kāi)閘,確保泄放大流量時(shí)下游有足夠的水深。

　　2、由于自然條件變化和人類活動(dòng)影響造成下游河道水位嚴(yán)重降低,會(huì)出現(xiàn)按“閘下水位~安全流量關(guān)系”圖開(kāi)閘,已無(wú)法泄放水閘原設(shè)計(jì)流量的情況;或者,出現(xiàn)在開(kāi)閘放水過(guò)程產(chǎn)生超過(guò)原設(shè)計(jì)的閘上游水位壅高。面對(duì)這些水力條件變化,設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理單位應(yīng)該對(duì)可能出現(xiàn)的各種情況事先做出預(yù)案。一種情況是按原設(shè)計(jì)流量泄水產(chǎn)生的上游水位壅高增加或根據(jù)下游水位相應(yīng)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(nèi),可考慮上游加強(qiáng)防護(hù)、加高堤壩或提供補(bǔ)償?shù)阮A(yù)案措施;另一種情況是當(dāng)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(yù)料到這種情況,應(yīng)提出水閘本身的搶險(xiǎn)預(yù)案,采取應(yīng)急臨時(shí)措施,盡可能減小超流量泄流對(duì)閘下設(shè)施、河床河岸沖刷損壞的發(fā)生或破壞的程度,在洪水過(guò)后及時(shí)搶修、修復(fù)。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(yù)防在先、有備無(wú)患。

　　作者郭東紀(jì)

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