韓曉維，包中進，陳益彬，呂有暢

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.溫州市甌飛開發(fā)建設管理委員會，浙江 溫州 325000)

1 問題的提出

濱海水閘的運行條件較為復雜，其上、下游水位變化較大，閘門開啟度變化頻繁，水閘泄流由孔口出流到堰流、由射流到淹沒射流，流態(tài)較為復雜，且濱海水閘基礎一般為軟土地基或淤泥質(zhì)海涂，河床質(zhì)的起動流速一般都很低，為0.8m/s甚至更低，極易被沖刷，需設置消力池、護坦、海漫、防沖槽等消能防沖設施進行閘下防護。但從已建的感潮閘運行情況看，大部分水閘閘下沖刷問題仍較嚴重，如消力池底板末端淘空、海漫段形成沖坑倒坡等，嚴重的甚至危及工程自身安全。

消能工的優(yōu)劣直接影響水閘的使用效益。常規(guī)水閘消能工的設計常通過水閘設計規(guī)范［1］進行計算。該規(guī)范通過設計單寬流量以及上下游水位條件便可以初步計算出所需消力池的長度及深度。但是由于種種原因，直接套用規(guī)范公式進行消力池的計算往往存在一定的問題［2-4］，對于比較重要的水閘工程，仍需通過水工模型試驗進行驗證。周玉香等［5］認為低佛氏數(shù)情況下，水躍消能主要發(fā)生在躍后段，若采用底流消能，則需采用多級消力池或加長海漫長度等措施進行防護。陸芳春［6］等從水力學、底板水流脈動、運行沖淤及工程量等方面綜合分析比較，認為曹娥江大閘一級消力池方案優(yōu)于二級消力池方案。馬孟華等［7］通過對平原進洪閘的試驗研究，認為無坎的一級消力池可以改善閘下水流銜接的問題。梁躍平［8］認為當入流佛氏數(shù)在1.5～4.5范圍內(nèi)，水躍漩滾尚未充分發(fā)展，消能效率較低，能量較為集中，對下游沖刷嚴重，在消力池中加設輔助消能工，可使消力池的性能得到很大改善。當前技術(shù)成熟并被廣泛應用的綜合消力池主要有美國墾務局推薦的USBR-Ⅲ型、USBR-Ⅳ型，美國SAF型及BEHAVANI型消力池 (T形墩消力池)等，但這些技術(shù)成熟的消力池應用在超低弗勞德數(shù)、低水頭、低尾水的情況下也很難達到令人滿意的消能效果［8］。

本文提出的無翼墻二級消力池方案可以有效地起到減小閘下單寬流量、增大海漫末端水深、均化海漫段流速分布的效果，對于類似工程具有一定的參考價值。

2 工程概況與模型設計

北1#閘為甌飛一期圍墾工程6座排澇閘之一，位于北堤上，外海側(cè)為甌江。水閘為1級建筑物，主要建筑物按50a一遇洪水標準設計。閘室采用與海堤堤頂對齊的胸墻式結(jié)構(gòu)。閘室順水流方向長22m，凈寬80m(10孔×8m)，閘室下游設二級消力池，第一級消力池長25m，池深為1.50m，池底高程為-3.50m;第二級消力池長25m，池深為1.50m，池底高程為-3.50m，底板厚1.00m。消力池下游設海漫，長25m，海漫坡度為1∶8，海漫末端高程為-5.00m，海漫后接防沖槽。消力池兩側(cè)無翼墻，左右各設置頂高程-2.00m的坎。消力池左岸直接與北堤拋石圓錐護坡相接，-2.00～-1.50m范圍表面采用1.00m厚的合金籠網(wǎng)石兜，右岸與閘下中間防護區(qū)域相接。北1#閘閘上河道正常蓄水位為2.50m，外海側(cè)平均潮位為0.29m，平均低潮位為-1.87m。工程平面剖面布置見圖1。

整體模型按重力相似準則建立，幾何比尺Lr=50，采用天然沙對閘下海床進行模擬。消能工況采用上游正常蓄水位2.50m和閘下平均低潮位-1.87m。

圖1 北1#閘工程布置圖 單位:m

3 消能方案的比選試驗

3.1 方案布置

本文在二級消力池方案的基礎上進行優(yōu)化，比選方案見表1。

表1 消能比選方案布置一覽表

3.2 閘下流態(tài)及沖刷形態(tài)

當下游潮位較低時，消力坎頂?shù)乃羁傻韧趯掜斞哌^相同流量時的水深，此時外海潮位的高低對消力池內(nèi)的消能形態(tài)理論上沒有影響，消力池坎頂水深完全取決于單寬流量［4］。由于消力池兩側(cè)無翼墻，水流進入消力池內(nèi)旋滾后有部分水流從兩側(cè)翻出，單寬流量沿程減小，坎頂水深也隨之降低。各方案單寬流量由出池時的12.9m2/s降低至海漫末端的8.6～9.7m2/s，降低了25% ～33%，效果明顯。當海漫末端在相同水深條件下，海漫末端單寬流量的減少會減弱閘下沖刷［1］，故無翼墻消力池方案對閘下沖刷有利。

由于單寬流量均沿程減小，各方案閘下消能效果主要在垂向上比較考慮水流流態(tài)與沖刷形態(tài)。圖2為4種方案閘下消能工況流態(tài)及沖刷形態(tài)示意圖。

圖2 各方案閘下水流流態(tài)及沖刷形態(tài)圖 單位:m

方案1:一級消力池內(nèi)能形成穩(wěn)定的摻氣水躍，躍首平均流速為7.5m/s，F(xiàn)r=1.80，為弱水躍，躍尾位于0+030m處，一級消力池坎頂平均流速為5.2m/s，F(xiàn)r=1.05。水流翻過一級消力坎后跌落進入二級消力池，由于二級坎頂高程較高，池內(nèi)躍首位置偏上游，未能充分利用消力池深度，池深偏深。經(jīng)二級池消能后，二級消力池坎頂0+059.8m斷面平均流速為4.7m/s，F(xiàn)r=1.05。水流出二級池后在海漫上跌落，并在海漫末端附近形成弱水躍，但是由于躍后水深較下游潮位高，水流在躍后跌落，沖擊防沖槽及下游海床，防沖槽收到砸擊后高程降低，沖深約為1.20m，防沖槽下游為普遍沖刷，最大沖深約為4.30m。

方案2:與方案1相比，將二級消力坎高程降低0.50m。二級坎高程降低后，二級池內(nèi)水躍躍首位置明顯下移，消力池池深合適。外海潮位較低，二級坎高程降低后潮位仍然無法影響到消力坎出流，此時二級消力坎頂流速約為4.6m/s，F(xiàn)r=1.01，與方案1相近。出池后水流跌落，同樣在海漫上形成弱水躍，躍首位置較方案1下移，水流在躍后跌落，沖擊防沖槽及下游海床，防沖槽沖深1.00m，防沖槽下游海床普遍沖刷，最大沖深約為4.90m。

方案3:將方案2的海漫末端高程抬高至-4.50m，其一、二兩級消力池內(nèi)流態(tài)與方案2相似，但是由于海漫末端高程抬高，下游尾水不足，海漫末端水躍為波狀水躍。波狀水躍躍前動能中有較大部分轉(zhuǎn)化為波動能，水面躥升跌落將淘刷拋石防沖槽及海床，此時防沖槽末端被沖毀，下游海床沖深可達7.10m，不利于閘下安全防護。

方案4:在方案3的基礎上將海漫末端高程降低至-6.00m，其一、二兩級消力池內(nèi)流態(tài)同樣與方案2相似，但是由于海漫末端高程降低，下游尾水較深，海漫上存在穩(wěn)定的摻氣水躍，水躍形態(tài)為弱水躍。經(jīng)海漫段水躍調(diào)整后，海漫末端出流均為緩流，最大流速約為3.8m/s，F(xiàn)r=0.60。完整水躍均發(fā)生在海漫段，水躍后水面與潮位銜接較好，雖仍存在一定范圍的波動，但至防沖槽末端后波動基本消失，對下游影響較小。此時防沖槽基本完好，下游海床沖深較淺，約為2.20m。

3.3 消能率

在消能工況時，閘下出流共存在三級水躍，分別是一級池水躍、二級池水躍及海漫段水躍。消力池內(nèi)各方案水躍均為弱水躍，消能率接近，主要區(qū)別在海漫段水躍的消能率。

消能率η可采用下式計算:

式中:E1為一級池躍首總能量，m，E2為計算斷面的水流總能量，m。消力池消能率計算基準高程Z0取消力池底板頂高程-3.5m，海漫段消能率計算基準取海漫末端高程。

表2給出了北1#閘不同消能方案的消能率對比，采用方案4的閘下綜合消能率最大達到47%，說明該方案的消能效果非常顯著。由于消力池兩側(cè)無翼墻，當下游潮位較低時，池內(nèi)水流翻出，使得沿程單寬逐漸減小，各級水躍消能率也逐漸提高。

表2 各方案消能工況消能率比較表 %

3.4 方案推薦

針對外海潮位較低情況下，選取閘下平均低潮位作為設計下游水位是合理的。需要解決的主要問題為消力池的消能率及水流與外海銜接的問題。方案4消力池內(nèi)水流條件較好，且與外海潮位銜接順利，無明顯不利流態(tài)，閘下沖刷也較淺，故推薦方案4作為優(yōu)化方案。

4 海漫末端高程的確定

由前述可知，當消能工況確定后，海漫末端水流流態(tài)將直接影響閘下沖刷形態(tài)，故改善其水流與外海的銜接流態(tài)成為此類水閘消能設計的重要參考。海漫末端高程的確定可通過水躍共軛水深初步確定，并通過模型試驗驗證。

平底矩形斷面水躍共軛水深公式為:

若需要下游水流銜接良好，則海漫末端高程Z1需滿足下式:

h″為躍后斷面的水深，m;h'為躍前斷面的水深，m;Fr1為躍前斷面水流的佛氏數(shù);Z1為海漫末端高程，m;Z0為消能設計的外海潮位，m。

本工程中試驗測得海漫急流段Fr1=2.8，h'=1.10m，計算得到h″=3.80m，海漫末端高程Z1≤Z0-h″=-1.87-3.80=-5.70m。本工程取海漫末端高程為-6.00m＜-5.70m，海漫末端水深能夠滿足要求。

5 結(jié)語

甌飛一期圍墾工程北1#閘為濱海水閘，其外海側(cè)直接排入甌江口。平面布置采用無翼墻式消力池方案，可在閘下潮位較低時使閘下水流沿程擴散，減小單寬流量，減輕閘下沖刷。在消力池剖面設計中，主要應使消力池內(nèi)流態(tài)保持穩(wěn)定，并注意海漫末端水流與外海潮位的銜接。北1#閘共試驗了4種消力池斷面型式，只有當海漫末端高程降低至-6.00m后，海漫處水躍能與外海潮位順利銜接，流態(tài)較好，沖深較淺。海漫末端高程可通過共軛水深公式進行初步估算。本工程消能工形式可供類似工程參考。

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