微彎河道水閘下游河床沖刷機(jī)理分析及預(yù)防措施研究

胡 欣

（上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，上海 200080）

0 引言

在土質(zhì)松軟地區(qū)河道上修建水閘，河道沖刷是必須重點(diǎn)研究解決的問題之一?！端l設(shè)計規(guī)范》指出：“節(jié)制閘或泄洪閘閘址宜選擇在河道順直、河勢相對穩(wěn)定的河段，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后也可選擇在彎曲河段裁彎取直的新開河道上”。但受河道兩側(cè)土地利用等諸多現(xiàn)實(shí)條件限制，仍有不少閘址只能選在微彎河道上。如何采用合理的手段或措施，防止河道岸灘（特別是轉(zhuǎn)彎段）的河床刷深，確保水閘下游河道堤防的安全，這在城市干支流水閘建設(shè)及運(yùn)行中是尤為重要的。筆者參加了上海市松江區(qū)某水閘工程下游堤防除險工程的評審，對微彎河道水閘下游河床沖刷問題進(jìn)行研究并就此提出了水閘運(yùn)行管理的預(yù)防措施，供設(shè)計單位參考。

1 沖刷機(jī)理

1.1 橫向環(huán)流

橫向環(huán)流是水流經(jīng)過河道彎曲段所形成的特有現(xiàn)象。水流經(jīng)過彎道時，為提供水流沿彎道曲線運(yùn)動的向心力，凹岸水面抬高，凸岸水面降低，形成橫向比降，從而產(chǎn)生環(huán)流。

水體在水面橫比降下存在橫向壓力梯度FJ，方向指向凸岸側(cè)，沿水深均勻分布；慣性力Fc為水體沿曲線運(yùn)動的離心力，方向指向凹岸側(cè)；同時，水柱在底部受到底摩擦阻力，方向與其運(yùn)動方向相反。由于水體垂向流速自水面向河床逐漸減小，故其在做曲線運(yùn)動時不同水層所在水體離心力大小亦不同。決定彎道水面橫向壓力梯度所用流速為垂線平均流速，多數(shù)情況下相當(dāng)于中間稍偏下層水體的流速。忽略水柱的底摩擦阻力（T），對于底層水體而言，橫向壓力梯度大于水體離心力，即FJ＞Fc，使得該部分水體向凸岸方向移動；而對于上層水體而言，壓力梯度小于水體離心力，F(xiàn)J＜Fc，在慣性作用下，水流偏向凹岸移動。由此，造成了底層水流向凸岸、表層水流向凹岸的橫向環(huán)流，它與縱向水流結(jié)合在一起構(gòu)成了彎道中的螺旋流。

1.2 沖刷機(jī)理

螺旋流的存在引起水流的循環(huán)和泥沙的橫向搬運(yùn)作用，它們對于彎曲河道的造床作用起著十分重要的作用[1-2]。

在橫向環(huán)流作用下，表層含沙量較小的水流不斷地流向凹岸并插入河底，而底層含沙量大的水流則不斷地流向凹岸并爬上邊灘，形成橫向輸沙不平衡。因此，對凹岸形成沖刷的水流，是由流速較大的表層水下潛而來，其挾沙能力也較強(qiáng)，該部分水流不含推移質(zhì)泥沙，在下潛開始向彎道內(nèi)側(cè)流動的過程中，對凹岸產(chǎn)生強(qiáng)大的清水沖刷，這種沖刷比順直河段有推移質(zhì)運(yùn)動的主槽沖刷要更為嚴(yán)重[4]。再加上下泄的縱向水流對凹岸的頂沖作用，凹岸岸坡面臨著極大的壓力，產(chǎn)生沖刷崩塌等險情概率極大。

因此，彎道水流對河岸的作用分為兩種：一是水流直接作用于河岸，沖動河岸上的泥沙顆粒并將它們帶走；二為水流沖刷坡腳、使岸坡的高度或角度增加，從而使上部的岸壁因重力作用而滑塌。

對于微彎河道水閘下游河道而言，彎道凹岸是沖刷集中的部位，而順直河段則相對沖刷較少。同時，水位的劇烈升降使河岸產(chǎn)生向河的滲透壓力，降低河岸的穩(wěn)定性。

2 實(shí)例分析

2.1 概況

以上海市松江區(qū)某水閘工程為例，該水閘位于黃浦江上游干流左岸支流河口段，水閘上游引河河道順直，閘下排水河道在距泵閘約160 m處進(jìn)入彎道，彎道角度約130°。水閘為泵閘合建型式，閘室與泵房分別位于工程東、西兩側(cè)，設(shè)計水閘排澇流量大于泵站排澇流量。

水閘外河左岸翼墻末端堤防建有防汛墻，在水閘長年排水出流作用下，其外河道凹岸段河床被刷深嚴(yán)重，墻前灘地，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，局部防汛墻倒塌。

2.2 沖刷計算

以閘室中心為起點(diǎn)，以50 m等間距在閘下游外河道選取特征斷面，取閘門排水流量分別為40 m3/s、50 m3/s、60 m3/s，對河道斷面平均流速及河道沖刷計算。結(jié)果見圖1所示。

圖1 不同排水流量下河道沿程流速及沖刷關(guān)系圖

從河道沿程流速及沖刷關(guān)系來看，河道沖刷深度與流速正相關(guān)。由于河道直線段長度有限，在摩擦水頭損失作用下流速有降低趨勢但不明顯，沖刷深度基本維持穩(wěn)定；當(dāng)水流進(jìn)入轉(zhuǎn)彎段后，沖刷深度出現(xiàn)峰值，出彎后迅速降低。表明河床沖刷最劇烈段出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎段凹岸側(cè)，明顯大于順直河道段。

從不同流量下沖刷深度對比來看，當(dāng)排水流量達(dá)到60 m3/s時，水閘下游河道流速較大，河床受到?jīng)_刷，最大沖刷深度超過了0.7 m；當(dāng)排水流量為40 m3/s時，河道斷面平均流速相對較低，已經(jīng)小于床沙起動流速，但由于行進(jìn)水流的分配不均勻性，河床局部會存在輕微沖，可以認(rèn)為該流量下水流流態(tài)為該河床不引起全面沖刷的臨界狀態(tài)。

2.3 沖刷原因

在低含沙量水流中，河道沖刷深度與水流行進(jìn)速度息息相關(guān)，水流流速與床沙質(zhì)起動流速的關(guān)系成為河道是否沖刷的關(guān)鍵因素。當(dāng)行進(jìn)流速大于河床起動流速時，河道將被沖刷。

從水流結(jié)構(gòu)來看，出閘水流行進(jìn)至彎道時，在彎道螺旋流的縱向頂沖和橫向淘刷雙重作用下，河道凹岸側(cè)受到?jīng)_刷成為必然。若水流流速較大，而護(hù)底措施不完善時，極易出現(xiàn)險情。

從總體布置來看，由于閘室布置在水閘東側(cè)，閘門開啟后水閘過流流量遠(yuǎn)大于泵站設(shè)計流量，水流在凹岸處及凹岸處上游河段高流速主流區(qū)都分布于河道左側(cè)，水流在較長一段范圍內(nèi)不能很好地擴(kuò)散至整條河道，形成了偏流。故在水閘下游順直河段內(nèi)東側(cè)河道明顯刷深嚴(yán)重。

從運(yùn)行調(diào)度來看，在超標(biāo)準(zhǔn)泄洪或高水頭差時閘門一次開度過大等不當(dāng)操作下，將直接導(dǎo)致河道縱向流速過大，出閘水流流速大于床沙的啟動流速，產(chǎn)生了河道沖刷。對水閘運(yùn)行而言，應(yīng)合理控制閘門開啟度，從而達(dá)到控制河道單寬流量、穩(wěn)定水流流態(tài)的目的。

3 設(shè)計及運(yùn)行管理措施

對微彎河道而言，合理的泵閘布置、可靠的消能防沖設(shè)計、科學(xué)的調(diào)度方案、規(guī)范的運(yùn)行管理都對水閘下游河道防沖刷起到至關(guān)重要的作用。就此，對微彎河道上水閘的設(shè)計及運(yùn)行管理提出以下建議：

（1）在水閘設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)彎段的清水沖刷作用，對水閘設(shè)計流量及下游彎曲段凹岸側(cè)防汛墻結(jié)構(gòu)設(shè)計及護(hù)底措施須謹(jǐn)慎對待。

（2）水閘建成運(yùn)營后，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計調(diào)度運(yùn)行方案執(zhí)行。若要對設(shè)計運(yùn)用條件進(jìn)行更改，應(yīng)聯(lián)系設(shè)計單位對其合理性進(jìn)行充分的論證。

（3）閘門啟閉是水閘控制的關(guān)鍵，需做到及時準(zhǔn)確。應(yīng)繪制閘下安全水位與閘門開度曲線，閘門啟閉須逐級進(jìn)行，控制好過閘流量，防止遠(yuǎn)驅(qū)水躍的發(fā)生。若閘門一次開度到位時，則極易產(chǎn)生集中水流和偏流。多孔水閘應(yīng)分級均勻開啟，避免不對稱開啟情況。

（4）在水閘運(yùn)行過程中，應(yīng)同步進(jìn)行流態(tài)觀測。觀測內(nèi)容主要包括不良水流形態(tài)如回流、折流、水躍等，一旦發(fā)現(xiàn)不利水流時，應(yīng)通過調(diào)整閘門開度等手段應(yīng)急解決。同時，應(yīng)及時分析原因，進(jìn)一步優(yōu)化閘門調(diào)度運(yùn)行方案。

（5）進(jìn)行河床動態(tài)監(jiān)測，每年汛期前后要定期對水閘下游護(hù)坦、海漫進(jìn)行測量檢查，定期清除砂石雜物，發(fā)現(xiàn)隱患及時處理。若發(fā)現(xiàn)存在沖刷坑等破壞時，可采用拋石護(hù)底等方式處理，進(jìn)行工程養(yǎng)護(hù)維修。

4 結(jié)語

在微彎河道上建閘，轉(zhuǎn)彎段水流對于凹岸的頂沖作用而帶來的岸灘沖刷不容忽視，應(yīng)加強(qiáng)護(hù)底等措施避免河道刷深，保證防汛墻安全。在水閘運(yùn)營過程中，要求管理者科學(xué)合理地執(zhí)行調(diào)度方案，輔以安全監(jiān)測，確保工程安全，發(fā)揮工程效益。

[1] 錢寧，萬兆惠．泥沙運(yùn)動力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1983．

[2] 錢寧，張仁，周志德.河床演變學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1987．

[3] 白玉川，顧元棪.水流泥沙水質(zhì)數(shù)學(xué)模型理論及應(yīng)用 [M].天津：天津大學(xué)出版社，2005．

[4] 楊忠良.彎曲河道沖刷定量計算探索 [J]． 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2004，（3）：15-17．

[5] 王兆印，黃金池，蘇德惠.河道沖刷和清水水流河床沖刷率[J]．泥沙研究，1998，（1）：1-11．