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内容发布更新时间 : 2024/12/23 13:14:54星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

论水闸的消能防冲与防护

天津市北大港水库管理处 赵桂廷 孟祥辉

由于土质河床抗冲能力很低,而水闸放水时又具有较大的能量,因而闸下冲刷是一种不可避免的普遍现象,有的冲刷并不危害建筑物安全,一般是允许的,但对于有害冲刷,则必须采取措施,加强防止。闸下冲刷原因是多方面的,根据设计及施工实践,绝大部分由设计不当造成,一部分是由后期运行管理不善造成的,为防止河床有害冲刷,保证水闸安全使用,首先要选用好适宜的单宽流量;其次是合理的平面布置,以利于水流扩散,避免或减轻回流的影响;第三是清除水流的多余能量和采用相应的防冲措施。 一、闸下泄流时的特点

只有认识了闸下水流运动的规律,从具体情况出发,才能经济合理的解决闸下消能防冲问题。闸下出流流态比较复杂,开始放水时,闸下水深较浅,随着闸门开度增大逐渐加深,在这个过程中,闸下泄流由孔流到堰流,由自由射流到淹没射流都会发生。因此,必须采用适当的衔接方式。

1、闸下易发生波状水跃。由于水闸上下游水位差较小,相应福氏数 小( 为第一共轭水深, 处的断面平均流速)特别是平底板的情况下,更易发生波状水跃。当下游河床与底板齐平时,在共轭水深比 即 ~ 时会出现波状水跃,此时无强烈的水跃旋滚,处于急流状态,不易向两侧扩散,致使两侧产生回流,缩小了河槽的有效宽度,局部单宽流量增大,造成严重的冲刷河床及河岸。

2、闸下容易出现折冲水流。一般水闸的宽度比原河道窄,水流过闸先收缩,出闸后再扩散,水流集中,左冲右撞,造成折冲水流,淘刷河床及岸坡,影响水闸正常运行。

二、闸下水流的衔接及消能

1、闸下水流衔接消能方式:平原地区的水闸由于水头低,下游水深变化大,无法采用挑流消能,一般多采用底流式水跃消能。虽然底流消能效果因水头差过小不很理想,但这种消能衔接方式适应于变动的过闸流量和下游水位,同时在平面上也容易扩散,所以底流消能在平原水闸中应用最广。

2、消力池的布置:促使闸下产生底流式水跃,主要是靠消力池。对土基上的水闸,若下游水深不足,可将护坦高程降低形成消力池。如地下水位较高,基坑开挖困难,消力池深挖后影响闸室稳定,则应采用综合式消力池。消力池的高程可按各种水流条件下能形成具有5~7%淹没度的水跃条件来确定,当池底高程低于底板高程时,常采用1:3~1:4的斜坡段连接,消力池的水平长度取决于大流量的泄流流态,一般取水跃的长度的0.7~0.8倍,平底段上扩散水跃长度L可按下式计算:

3、辅助消能措施:为调整水闸断面流速分布,减少池后淘刷,加强平面扩散,消减边侧回流,在消力池末端要布置尾槛,在消力池中深尾槛外,有时还要设齿坝,消力墩等辅助消能,达到使水流受阻,分散水流,造成涡流紊动,稳定水跃,缩短水跃长度。辅助消能墩因直接受水流冲撞、磨损,因而外形构造上通常以墩体上游面倾斜而代圆角者为好。辅助消能墩最好设在消力池前丰段,采用双排交错布置效果最好。 三、闸下防冲加固措施

1、护坦:护坦是用来保护水跃范围内河床不受冲刷,保证闸室安全的主要结构。放水时,护坦上水流紊动强烈,受力复杂,不仅受水流冲击,还有上游渗透压力的作用。一旦破坏,就会失去稳定。护坦长度由水跃计算来确定,一般大中型水闸采用0.5~1.0m等厚的100#~150#砼做成,只布结构筋。为改善护坦稳定条件,可在护坦后部设排水孔,孔径一般7~25mm,间距1.5~3m,呈梭形分布。

2、海漫:水流流出护坦后虽已消除了大部分能量,但仍有较大余能,流速并未恢复到天然流速分布状态,仍具有一定的冲刷能力。因此,紧接护坦之后还要继续采用海漫等防冲措施。 海漫的长度应根据消力池出口单宽流量及扩散情况、上下游水位差、地质条件、尾水深度及海漫本身粗糙程度等因素来确定。国内采用的以下公式最适用: 式中:q=海漫现点处单宽流量(m3/s·m) =上下游水位差(m) =河床土质系数

海漫的结构及布置要求坚固耐冲,适合冲刷变形,为使渗水排出,降低扬压力,还应具有透水性。为进一步消除余能,海漫表面应粗糙些,海漫材料主要取决于流速大小而定,常用的海漫结构有以下几种:

a干砌石海漫,一般用大于30cm,0.4~0.6厚块石砌成,下铺10~15cm碎石及粗砂反滤,常用海漫厚段。

b浆砌石海漫:用50~80#水泥砂浆,40~50cm厚砌成,内设排水孔,下设反滤层,一般用在海漫前部。

3、翼墙与护岸:翼墙的作用在于使出闸水流均匀扩散保护闸下岸坡免受冲刷,其形状及扩散角对闸下消能有重要影响,根据实践,翼墙扩散角采用8~12°为好。翼墙在消力池范围内采用铅直迎水面为宜。水跃后采用扭曲面为佳。与翼墙衔接的一段河岸由于水流速度较大或有回流现象发生,通常应作浆砌块石护坡,然后以干砌石护坡,保护范围应稍长于海漫,并在护坡坡脚及与土坡相交处应做500m齿墙交于土坡中,以防回流淘刷,护坡下需铺100m左右粗砂反滤层。

四、水闸的上游防护