第四节 闸坝工程水力学问题
§4.Problems in the engineering hydraulics of sluice-dams
闸坝工程水力破坏的实践表明，地表水泄流冲刷和地下水渗流冲蚀是工程破坏的主要原因，而且随着建筑物结构型式和地基情况以及水力条件的不同，这两种水的作用也有主次之分。但是这两种水流的危害性都是表现在水与建筑物上、下表层的接触面及工程附近河床的边界面上。所以随着水工建筑的日益增多和高大，就必须研究水流与边界面之间的相互作用机理和控制水流防止工程遭到水力破坏的措施问题，于是就形成了“工程水力学”这门实用学科[10-14]。
我国研究工程水力学问题，可追溯到1955年在南京召开的首届水工试验研究专业会议，规定讨论中心题目为“水工建筑物下游消能防冲问题”，并由水电部将论文编印成《水工建筑物下游消能问题》一书出版（1956）。随后也就引起了重视并相继出版了一些专著和论文。我们在这里只对“闸坝工程水力学”问题作一概括性介绍，特别是有关工程管理方面的问题。至于水流的破坏机理和估算以及控制预防方法措施等将在以下各章叙述，那些内容对设计和科研也将具有参考价值。
一、闸坝下游消能问题
消能是防止冲刷破坏的一种必要措施，以使泄流能量消减和扩散。不致发生下游严重冲刷危及安全为目的。一般是通过摩擦、冲击、旋滚、挑流、扩散、掺气等方式来实现，使水流发生强烈的紊动和掺混作用把动能转变为热能。具体工程措施则有消力池（槛、墩、齿等）、戽斗、跌坎、鼻坎、滑雪道等消能工。从水流形态的水力学观点出发，可区分为以下三种基本消能形式[15]。
1.底流水跃消能
水跃消能是最古老也是最稳妥的消能措施，能在极短距离的消力池中消杀大部能量，随着弗劳德数的增加，消能率高达2/3以上（第二章图2-29），要比不产生水跃的渐变流动所消失的能量大几十倍。因此低水头的闸坝泄洪多采用消力池或倾斜护坦以及槛、墩、齿等辅助消能工，以适应产生水跃的共轭水深及其长度。长江葛洲坝工程二江泄洪闸就采用了水跃消能措施，设计单宽流量高达220m2/s，并已经过最大洪峰流量70800m3/s的考验，证明消能防冲效果很好。其他如盐锅峡、柘林、陆水等泄洪工程也采用了水跃消能。但在高速水流情况，若在池内设置墩、齿就易发生空蚀破坏，此时就应考虑墩、齿形式和掺气措施，以致高坝采用水跃消能的较少。
二元水跃计算已很精确，而实际问题多属三元空间水跃，特别是平原水闸，下游河道宽广，必须考虑跃后扩散水流的迅速均布问题。同时还得考虑个别闸孔出流所形成的不完全局部水跃的消能问题。但目前还没有一个好的设计计算方法，很难有一种适应各级水位和任意开闸方式的消能工，因此还要辅助以调度运行控制管理来保证泄流的安全。
2.面流消能
面流消能介于水跃和挠流两种消能形式之间，利用跌坎或戽斗的末端仰角将主流挑向尾水面部形成坎后底部旋滚和戽斗内旋滚紊动达到消能的目的。这种面流式消能都是不脱离开下游水体的，所以受尾水面或尾水深度的影响极大。各级尾水位情况下会发生各种流态和不同位置的旋滚，这些多变流态过程也可总称为混合流。
跌坎消能工首先用于苏联伏尔霍夫水电站（1926年），戽流消能工首先用于美国大古力坝（1942年）。我国西津水电站开始采用跌坎消能（1964年，q=129m2/s），石泉水电站开始采用戽流消能（1975年，q=154m2/s），目前采用面流式消能的工程，多数运行良好，但水流余能大，水面波动较剧，影响距离远。例如西津溢流坝下游水面波浪影响河道岸坡的稳定，长达3km；龚嘴溢流坝下游出口表面流速30m/s，强烈底部旋滚挟带砂石对周围建筑物产生严重的冲击和磨损。
3.挑流消能
高水头泄流时多采用挑流形式（连续式或差动式鼻坎），工程量小，投资省，检修方便。我国较早采用挑流消能的有丰满溢流坝、狮子滩溢流坝和佛子岭泄洪洞等工程。目前在岩基上建坝已被广泛采用，而且随着峡谷建坝的增多，新型挑流消能工也不断出现，其特点是强迫能量集中的水流向纵、横、竖三个方向撕开扩散和互相冲击，促进紊流掺气，扩大射流入水面积，减小和均化河床单位面积上的冲击荷载以减轻冲刷。例如乌江渡水电站的溢流坝和滑雪道，利用了挑流鼻坎控制水舌落点，使之沿河纵向撕开，冲刷较浅，但对挑流的雾化影响和下游堆丘抬高尾水位影响电站出力问题应加注意。
此外，拱坝坝顶自由跌流的消能措施主要是水舌跌落处有足够的水深，即以挖低岩基形成水池或筑二道堰抬高尾水位以及加强水舌跌落点的抗冲强度。同样，渠道跌水也属此类。
二、闸坝修建后的河床冲淤问题
河流上建造闸坝工程以后所引起的最大变化是改变了水流形态，而且随着不同的操作调度，其流态变化也各异。对河床的冲淤影响可分工程附近局部冲刷与河道普遍冲淤两种情况。
1.闸坝下游局部冲刷
建造闸坝后，造成上、下游显著的水位差，同时泄洪宽度远较原河道缩窄，单宽流量增加，以致集中泄流的巨大动能，虽然经消能措施，仍将引起建筑物附近河床的局部冲刷。特别是下游，淘刷严重会危及建筑物的安全，因而必须采取消能防冲措施。这也是研究冲刷问题必须与消能措施所强制形成的各种流态联系起来考虑的原因；同时冲刷问题又与河床岩土抗冲强度密切相关。因此，研究各种不同流态情况下的各种岩土河床冲刷深度和范围是局部冲刷问题的主要内容。目前对砂土河床冲刷研究较多，对于黏性土和岩基冲刷尚待进一步研究。特别是岩基，由于节理裂隙和断层的存在，冲刷极不均匀。例如丹江口溢流坝下游由于有断层破碎带，冲坑水深达32.6m，这种岩基结构很难在试验室内进行模拟，因此仍多依赖于野外观测资料的分析，在基本公式中寻求一个经验性的系数。
2.闸坝上、下游河道普遍冲淤
河流上建造闸坝后，由于上游蓄水，将使上游河道坡降变缓，造成河床淤积；同时越过堰坝的下泄清水又将满足其固有的挟沙容量而造成下游河床的普遍冲刷。这样就导致尾水位降低使闸坝下游局部冲刷加剧，并且增加了地下水渗流的出口坡降。因此，在消能防冲设计时还应考虑水量调度运行情况下的河床演变。根据印度灌溉工程经验[4]，在兴建堰闸工程运行的头几年，下游河床普遍冲刷降低1.2～2.1m。但运行几年之后，上游河床恢复原有的坡降而不再淤积；并由于拦河堰前的渠道引取清水，使多余的泥沙越堰流向下游。当控制流量比原有流量小的运用情况下，此多余泥沙就淤积在下游河床，因而河床将又逐渐恢复淤高。印度经验，运行二三十年后，下游河床淤积，反而比未建堰前的原有河床高0.6m。
对于高坝形成的大型水库，使下游洪水发生变化，减低了特大洪水的频率，提高了中小洪水的频率，上、下游河床演变更为显著。即由水库下泄的清水具有挟带下游河床中细颗粒泥沙的能力，造成冲刷，而上游则拦截部分泥沙造成淤积。这种冲淤现象主要决定泥沙的临界推移力τ=ζ（γS-γ）d与水流的拖曳力γHJ两者的平衡关系。式中γS、γ分别为泥沙和水的容重；d为代表一层底沙运动的粒径；ζ为泥沙层运动的摩阻系数；H、J分别为河流水深和坡降。当两者相等，则达到无底沙运动的平衡状态。由此可知，唯一可以调整的是坡降J，而且必须与库区的水深和泥沙的粗细特性相适应。对于多泥沙来源河流会使水库失效，下游刷深河床也会影响建筑物（闸坝、堤脚、桥梁、引水口等）的稳定和海潮的上溯[16]。一般库区泥沙淤积，距坝愈远愈粗而且随着水库运用方式不同，也影响其淤积的层次。我国黄河三门峡水库1960年建成蓄水后，经过一年半时间（一个汛期），淤积泥沙15.9亿m3，潼关河床上升4.5m。到1964年，损失库容39.9亿m3（设计库容162亿m3）[17]，而且淤积向上游延伸，库区两岸土地的浸没、盐碱、沼泽化面积进一步增加。1965年后对工程改建，增添左岸两条泄水洞，打开导流底孔，降低电站进口等措施，取得一定成效。1970年以来，库容恢复6.9亿m3，潼关河床下降1.9m，并冲刷形成高滩深槽，床砂组成逐渐变粗。对于下游，由于河道很长，往往出现上段冲刷、下段淤积的情况。如何控制淤积，避免冲刷，需要从运用调度管理中寻求水沙调节规律。
三、闸坝泄流能力问题
泄流能力是用堰流或孔流的基本公式乘一个实验性的修正系数计算的，所以需要根据闸坝泄流的边界条件寻求一个适用的流量系数，以便运用控制闸门开度满足宣泄的流量；同时在消能冲刷计算中也必须知道宣泄的流量。因此，泄流能力也是工程水力学中的主题之一。虽然泄流能力的计算比较成熟，容易从模型试验得出规律的结果，但由于缩尺影响，以及考虑侧岸及闸墩处水流收缩和行近流速不定，实际流量往往大于试验值，而且密切与出流淹没度这一不易准确计算的流态有关，所以仍存在一些问题。
在高淹没度的校核流量下确定用孔总净宽的设计中，过去有不少水闸经过水工模型试验都论证出设计的泄流能力过于保守。按照设计流量要求。很多闸，例如江苏省的高良涧、皂河、六塘河等闸试验结果比设计流量大20%左右，都可省去一孔；原废黄河大通地涵试验结果比设计流量大40%～50%，可以缩减5孔；就以最近试验的通榆河总渠地涵水工模型试验结果来说，可由15孔缩减为12孔；又如山东省南四湖红旗四闸由于上、下游开挖引河很窄，与闸的放宽断面连接段扩张角太大，经模型试验论证，原设计的134孔可以减为78孔[23]等。总之，目前的泄流能力计算方法还有待进一步研究。根据水力学的概念，应注意以下两点。
（1）对出闸水流在出口处的流态和冲低了的尾水面形成逆坡应加考虑，但不容易掌握此出口处的水面和断面上的压力分布，以致造成较大的计算误差。例如通榆河总渠地涵，如果采用出口处的水面计算上、下游水头差，就有淹没流量系数0.733，与设计取值μ=0.751极为一致，但是采用下游尾水面计算就得出较小的泄流能力，多取2～3孔。因此有必要向管理工作提出下游水尺装设的位置问题，似乎可以考虑设在墩尾或适当低压区部位。同样，上游水尺位置，为测记能头又可避免流速水头试算，似可把水尺设在迎水墩头，为避免流水波动不稳定影响，似可在墩头、尾各做成竖井。这些具体革新水尺装设问题，有赖于管理人员去实践或做一些专题研究。
（2）为求在很小水位差情况要求通过设计流量，而采用等于或大于河道宽的所谓“大肚子”水闸方案[22]是不合理的。因为这样会在闸室进口形成回溜，达不到增加流量的目的。从通榆河总渠地涵的试验结果已可看出，靠边岸闸孔的流量系数计算小于中孔，说明原设计15孔的边孔发挥不了应有的泄流能力。这也是一个侧边收缩问题，由此还可联想到迎水墩头的形状。由于来水不是相应于每个墩头对称，所以做成尖头不一定好。经过长闸墩导流作用，下游墩头做成尖头流线形是合理的。同样，胸墙进口设计成喇叭口也可增大流量系数。另外，地涵泄流能力的计算误差更大于平底水闸也是值得研究的，至于模型缩尺影响，还待运行管理工作中对原型测流的验证。
四、闸坝地基渗流及侧岸绕渗问题
地下水渗流冲刷对闸坝工程的破坏性不亚于地表冲刷。特别是透水地基，而且是隐蔽于地下更危险，需要有更安全的设计。对于实际复杂地基渗流的问题，目前均采用有限单元法等的数值计算方法进行研究，以及依赖已建工程的观测资料分析判断其安全性。当然也可引用近似计算方法研究比较渗流控制方案。
目前，大型水闸的渗流观测资料已积累不少，一些异常现象值得研究，例如江苏省的三河闸[20，21]，由于闸门支墩置于闸孔中间底板上，开闸放水的荷载变化会压缩土体使其孔隙水压力突增以致底板中部下的2号、3号测压管水位上升，甚至比上游水位还高，发生倒坡现象；由于三河闸底板末端反滤排水出口前有一小消力槛，在闸门小开度放水射流情况下，射流越过小槛顶跌入消力池时在反滤排水出口形成低压区，以致影响其前面的4号测压管水位较低，发生下游测压管水位比尾水位还低的异常现象。由于洪泽湖蓄水面广阔而水深浅，对气温变化敏感，表面受日照的辐射热传达以及温升后湖水进入闸基的渗透性变化，使得三河闸在关闸期间，蓄水位不变情况下，靠上游的1号、2号测压管水位由3月到6月升高1m，然后再影响到3号测压管的上升，每年呈周期性变化，是比较有规律的。此种受开关闸泄流荷载变形以及气温影响的闸基扬压力计算设计问题尚待进一步研究。又如江苏省的射阳河挡潮闸，闸基测压管水位比潮水位滞后0.5～2h，视距潮水位远近而异。由于非稳定渗流，下游测压管水位也有高于上游水位或底板下测压管水位高于上（下）游水位达1m的异常现象。总之，江苏省水闸的闸基渗流多属于非稳定渗流状态，将20世纪50年代观测资料与80年代相比，可知波动的变化幅度已有所衰减。
五、水流脉动与闸门振动问题
水流脉动现象对闸坝运行管理有着重要影响，它也反映在急流表面的波动及不稳定性方面，促使水流掺气，增强紊动，引起建筑物和闸门的振动，以及紊动水流加深河床冲刷等影响。此种随时间瞬变的脉动和振动现象，需要电子仪器设备来测定，20世纪50年代开始了这方面的系统研究。其中测试手段、数据处理以及随机理论应用等彼此关系密切。
六、高速水流的空蚀与抗蚀问题
空化、空蚀是高坝建设中高速水流破坏的主要原因。水流在20m/s以上的流速时混凝土就会发生空蚀现象。水工建筑物混凝土首次出现空蚀而引起人们注意的是20世纪30年代末的美国邦纳维尔（Bonnevme）坝（Γ.C1969-1）。一般水头高达40～50m以上的坝不发生空蚀是不大可能的，除非采用一定的工程措施。发生空蚀的部位多在不平整表面、闸门槽、消力墩齿等处。防止空蚀破坏的措施最好是通气减蚀，即在边界层掺气。例如做成台阶式掺气坎或滑槽式挑水坎以及在泄流墙上设槛或设底槛，造成水流分离区，使空腔的形成和破裂都与壁面不直接接触，可完全消除空蚀（Γ.C.1971-8）。一般在射流底部掺气浓度3%～5%即可免除空蚀。在体型方面也可采用消力墩的迎水面流线体型、楔形体型或逐渐向下游升高放宽的齿形尾槛等，把壁面尽量做光滑或护以能抗蚀的特殊材料等抗空蚀措施。目前对空化、空蚀和减蚀的机理研究深度尚不能达到在数量上预测的要求。
另外，在高速水流中所涉及的边界层理论也是工程水力学中一个重要问题。
七、水工模型试验问题
自从19世纪末，恩格斯（H.Engels）等用水工模型试验解决水工问题以来，特别是对于闸坝工程水力学方面，已被公认是解决实际生产问题的很成功的一种研究手段，虽然“计算水力学”数学模型也提供了方便，但是对于复杂的地表水运动还不能像地下水渗流那样可以用数学模型来取代物理模型，解决生产问题。因此，水工模型试验仍是解决问题的主要手段。如能在工地就闸门运行管理做一简单水工模型试验，将生动地对工程管理起到指导作用。然而还有一些较复杂问题的模型律及其缩尺影响尚需研究。