王劍 嵇紅剛 劉洋

【摘 要】山區(qū)河流低閘首部樞紐，由于河道縱坡陡，洪峰陡漲陡落，推移質(zhì)量大，斜坡護坦急流銜接消能形式得到越來越廣泛的運用。在《水閘設(shè)計規(guī)范》中對急流銜接只有簡短的規(guī)定，本文結(jié)合工程經(jīng)驗，對急流銜接的本質(zhì)及設(shè)計主要事項進行分析和探討，為設(shè)計人員提供必要的幫助。

【關(guān)鍵詞】山區(qū)河流；低閘；急流銜接

1.急流銜接消能特性分析

1.1山區(qū)河流特性

山區(qū)河流水庫一般屬于河谷型水庫，窄深型河槽。山區(qū)河流剖面陡峭，一般趨勢上陡下緩，水面綜合比降比較大。山區(qū)河流坡面陡峭，徑流系數(shù)大，匯流時間短，洪水猛漲陡落是山區(qū)河流的重要特點。

河流洪枯流量一般比較懸殊，洪水流量往往為枯水流量的100或數(shù)百倍。河流枯水期山區(qū)河流懸移質(zhì)含沙量小，來砂量主要集中在汛期幾次洪峰。河流的特性決定了消能形式的合理選用。

1.2急流銜接適合山區(qū)河流原因分析

從山區(qū)河流特征可知，一般山區(qū)河流砂峰隨洪峰出現(xiàn)，閘壩由于調(diào)節(jié)固體徑流的需要，汛期一般會采用敞泄方式?jīng)_砂，大量的推移質(zhì)會沖向下游，表現(xiàn)為在洪水作用下，速度快、量大、時間集中。

閘壩有調(diào)節(jié)固體徑流的要求，常規(guī)消能方式一般只有消力池可選。消力池雖然消能效率比較高，下游沖刷相對較弱，但造價高，在推移質(zhì)作用下，易出現(xiàn)磨損、消能工損壞加快、淤積等情況，增加運行中消能工修復(fù)頻率，從經(jīng)濟、運行成本和效率上并不合算。

急流銜接消能效率不如消力池，但目前修建的山區(qū)的閘壩，一般來說處于深山峽谷，下游沒有重要的防護對象，下游兩岸及河床出現(xiàn)一定的沖刷，并不足以造成實質(zhì)性的損害，但可以減少消能工修復(fù)頻率，造價較消力池低，則采用急流銜接是合理的。

1.3 急流銜接中可能出現(xiàn)的流態(tài)

消能時，出現(xiàn)的下游銜接形式和下游水深有密切關(guān)系。對于山區(qū)河流而言，下游水位變化非常劇烈，在泄流過程中，由于下游水位不斷變化，下游實際會出現(xiàn)急流銜接、遠(yuǎn)驅(qū)水躍、完全水躍、淹沒水躍等多種形式，水躍的位置也會隨下游水位在護坦首部、護坦段及下游沖刷坑內(nèi)變化出現(xiàn)。

1.4 急流銜接消能本質(zhì)

從以上分析可知，急流銜接是一個比較籠統(tǒng)的概念，并非泄流中所有過程都是急流銜接狀態(tài)。

通過分析、工程實際運行及水工模型試驗，從急流銜接消能的本質(zhì)而言，雖然在護坦內(nèi)出現(xiàn)的水躍可消殺部分能量，但其能量大部分依靠在護坦末端沖刷坑的的旋滾等作用消殺，剩余的能量依靠對河床及兩岸的沖刷消殺，從而使水流逐步恢復(fù)到天然河道狀態(tài)。但目前為止，對于沖刷坑所消殺能量占整個能量的百分比還沒有具體的數(shù)據(jù)。

1.5 急流銜接消能適用性

從急流銜接消能的分析可知，其運用主要的限制條件在于，采用急流銜接所造成的下游沖刷在可接受的程度，或者說采用一定的工程措施可以防止。

同時，對河床質(zhì)有一定要求，要求河床質(zhì)抗沖刷性能比較好。當(dāng)然山區(qū)河流工程所在的河道基本以漂卵礫石為主，抗沖性能比較好，一般不存在問題；但如果存在易于沖刷的河床質(zhì)，則應(yīng)認(rèn)真考慮適用性和沖刷后對工程及周邊環(huán)境的影響。

2.急流銜接設(shè)計相關(guān)問題討論

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范消能工一般采用消能防沖標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計。采用該標(biāo)準(zhǔn)洪水的前提是，消能工的破壞易于修復(fù)并對主體工程安全沒有影響。對于山區(qū)河流覆蓋層的閘壩，如果護坦出現(xiàn)嚴(yán)重破壞（如整塊破壞、掀翻、尾部淘空等情況），則會直接影響主體建筑的安全。因此，實際設(shè)計時，建議根據(jù)消能防沖洪水和校核洪水的差距、護坦破壞可能性及對建筑物的影響綜合考慮，必要時可提高消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)工程經(jīng)驗，提高消能工洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，最后往往體現(xiàn)在按最大洪水沖刷深度增加了末端齒墻的埋深和護坦的厚度，所增加的投資往往并不大，但對覆蓋層上的閘壩安全則提高很多。

2.2單寬流量的限制

覆蓋層上的閘壩，下游沖刷始終是設(shè)計必須進行仔細(xì)考慮的問題，特別是急流銜接對下游沖刷相對比較明顯。

根據(jù)已成工程的經(jīng)驗，斜護坦末端單寬流量不宜超過50m3/s（消能防沖標(biāo)準(zhǔn)），在蓄水位較高的閘壩工程中，消能形式更應(yīng)作為重點進行考慮。

2.3 護坦設(shè)計

急流銜接護坦一般采用一坡到底或斜段加短平段的形式，兩者本質(zhì)上沒有太多差別。但水平的護坦，從消能的角度而言，是不合適的。護坦具體采用的形式，可根據(jù)地形及具體布置來確定。

護坦厚度可根據(jù)護坦排水形式的不同，通過抗浮計算并結(jié)合工程經(jīng)驗進行確定。

護坦長度確定，應(yīng)考慮護坦下游沖刷坑形成后對閘壩穩(wěn)定的影響以及消能效果綜合確定。由于護坦作用機理較為復(fù)雜，在不同下游水位下，水流銜接方式不同，初步設(shè)計時，可參考消力池粗步計算并結(jié)合類似工程進行選取確定。

2.4海漫設(shè)置

護坦后的海漫是否設(shè)置，取決于設(shè)置后，是否可以減輕下游沖刷、降低施工難度、工程造價。很短的海漫，對于調(diào)整流速作用不明顯。如果護坦末端齒槽深度可以保證工程安全，下游沖刷也可接受，工程實際中也經(jīng)常不設(shè)置海漫。

3.結(jié)語

通過以上分析，山區(qū)河流急流銜接消能，是適合山區(qū)河道及水流特性的一種消能方式，在實際運用中取得了良好的效果。但也有自身的限制條件，設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)其本質(zhì)及可能造成的影響，合理確定各項參數(shù)，做出最適合當(dāng)?shù)貙嶋H情況的設(shè)計。

參考文獻：

[1] 《水閘設(shè)計規(guī)范》

[2] 《水利水電工程泥沙設(shè)計》朱鑒遠(yuǎn).

[3] 《河流泥沙工程學(xué)》 武漢水利電力學(xué)院.