第七节　闸坝下游防冲措施

§7.Anti-scour measures below sluice-dams

以上各节介绍的局部冲刷过程、估算方法及计算公式，其主要目的在于核算和预报冲刷的严重程度是否危害建筑物安全以便采取防冲措施，因此防冲是最后的目的。根据江苏省91座水闸的调查中，上、下游遭到冲刷的达25%，沿江水闸几乎都有冲塘，有的危及闸身安全，为了安全运行，就不得不采取措施。现从设计和运行期间发现问题必须加固维修这两个方面讨论措施如下。

一、消能防冲

消能是手段，防冲是目的，而且消能扩散是最好的防冲措施。因此，在设计阶段必须周密考虑占工程费用比重较大的消能工程：包括消力池及其辅助消能工，如墩、齿、槛、梁、柱以及海漫和翼墙等的选用设计，具体内容见消能专章。

闸坝下游冲成深坑后，往往只注意到填护冲坑加固补强方面，而不再考虑消能措施，以致耗资巨大奏效很小。苏联有一座建在石灰岩基上的溢流坝，下游冲毁后，屡次加固均遭失败。开始泄洪单宽流量q=25m2/s的秋季洪水，就把0.5～0.6m厚的钢筋混凝土护坦冲毁，岩基也冲成深槽。随后又在冲沟槽里设置2m3的混凝土块体，但第二年春又被洪水冲走。于是又在冲沟中浇筑水下混凝土，并堆放麻袋装混凝土，袋上插有钢筋，使每层混凝土袋都互相扣接起来。尽管这样，也还是不可靠，秋季洪水再次下泄时，仅1h内又被冲毁。这是由于护砌体本身强度不够，与岩层连接又不牢所致。最后才从消能措施下手，通过模型试验，寻找在远驱水跃条件下的合理消能措施，采取了在底板护坦上从上游到下游设立7道消力槛，并使最后一道槛形成深2m的消力池。这样使用两年，证明是有效的。另外在土基上建闸以后，由于消能不好，下游河床被冲成深坑，而屡抛石补强者更不乏实例，如图3-26所示。

我国发生严重冲刷的闸坝，通过模型试验寻找合理消能措施进行补救的实例也不少。如西津电站溢流坝，鼻坎下回溜淘刷严重，在右侧加修一道导墙后显著减轻了淘刷；江苏横山水库溢洪闸梯形断面消力池中水跃偏冲一侧，冲毁池底后是在两侧坡面边墙上加小槛解决的；高良涧闸发生冲毁事故后，是改造了消力池解决的；内蒙古三盛公黄河水利枢纽北总干渠跌水电站下游尾水位低，越出消力池的急流冲毁了海漫，而采取第二级消力池消能方案等。但结合消能措施的改造补强，必须注意在混凝土加固工程中，仔细研究加固部分与原来部分以及混凝土与岩基部分等的牢固连接方法，不能留有强度不均匀的区段。

二、管理运用闸门防冲防淤

各种消能工型式都有其一定范围的水力条件，很难有一种消能措施能适应各级水位流量和任意的闸门开启方式。因此还必须在工程运行管理时注意闸门开放调度的最佳方式，即各闸门齐步均匀开启，分级提升以适应尾水位[22]；当不能齐步开启闸门时，则可对称间隔开放，一般是先开中间孔，并避免大开度一次到顶造成水流过于集中和偏流。尤其是下游无水或水位很低时的开闸始流情况[参考第二章第二节（四）]，必须逐级提升，开始宜小，逐级可稍大（0.2～0.5m），使能在消力池中产生水跃。另外，最好根据冲刷公式针对所管理的闸坝计算一套资料，画出开闸时下游河道的流量与水位关系曲线所对应的冲刷深度曲线来指导调度运行管理，如图3-27所示为某种开闸方式下的冲刷预测曲线[23]。同时也可从实测冲刷深度检验冲刷公式的正确性，找出修正的冲刷系数以预报未来。

不遵守上述闸门运行管理操作方式的，经常会发生冲毁破坏事故。这种事例很多，除在第一章总论中所举的实例外，如黄河三盛公水利枢纽工程北岸进水闸，在开闸放水时，尾水位很低，由于闸门开启太快，以致射流冲越消力池尾槛，冲毁了海漫。在江苏省，如废黄河上的杨庄闸，曾大幅度提升右闸孔闸门，导致主流偏冲下游左岸，把农田冲走一块；淮安闸1959年、介台子闸1963年，均因开闸时水跃越出消力池，造成浆砌块石和干砌块石海漫的破坏；三河闸在1956年因检修油漆闸门，不均匀开放闸门，造成河床冲深4～5m，后以块石填平。总之，由于闸门控制管理不当而造成冲毁破坏事故的屡有发生，因此，在运行管理中必须高度重视，建立适用于管理水闸的操作规程。

上述闸门调度开启最佳方式是指闸前来水对称的情况。然而大型水闸，闸前水面广阔，地形高低不一，多不对称，在大流量情况下，来水主流方向经常不正，例如洪泽湖滨的三河闸，上游来水主流偏向左岸，闸门全开泄水时，闸下右岸流缓近于死水，可以游泳。万福闸位于淮河入江水道，在3支流汇合口的下游，由于3支流来水量不等，闸前来水极为不正，当闸门全开时，左岸30孔范围流量大流速急，而在右岸第64、65孔的闸前还有回水倒流情况；闸下靠左岸主流再折冲到右岸，1964年曾把右岸农田冲走200余亩及房屋多间，坡脚河床冲深7m。又如小洋口闸，闸前有5支流汇合，主流在闸前先顶冲左岸，继而折冲右岸，过闸后又折冲左岸，把左岸坡脚处河床冲成6～7m的深塘。还有一些水利枢纽工程，由于布局问题，不能避免闸前弯道水流或平交河道流势的影响，也常发生闸前来水不正的问题，例如高良涧闸、淮安闸、运东闸等都是闸前主流偏向右岸，过闸后水流偏冲左岸，造成不平衡的冲淤现象。

因此，对于这些来水不正的水闸，如果仍然保持左、右闸门完全同等对称开放的操作方式，就会造成闸下水流集中而偏冲一侧；对于多泥沙河流则更会使闸的上、下游两侧发生冲淤很不平衡的河床变形。因此，必须调整闸门不同开度来控制各闸孔出流量相等达到全闸宽断面上水流均匀的要求，此项控制闸门方式最好依靠水工模型试验提出，也可以在实际工程运用管理中摸索出一套调度控制闸门方式。黄河三盛公拦河闸就是这样摸索出了一套控制闸门的成功经验，由于上游来水偏向右岸，造成下游左岸的冲刷和右侧大量淤积，于是就由右到左调整闸门开度逐级提高，收到了日益改善的效果。而且结合上、下游河床冲淤发展趋势不断改变闸门调度方式，避免冲淤继续向不利方面发展。

同样，对于闸下游河道地形不对称情况，运用对称开启闸门方式也将造成不利的冲淤现象。特别是受尾水涌潮和风浪影响的沿海挡潮闸或感潮区沿江建闸，普遍存在闸下淤积问题。这也是在涌潮挟沙不断淤积扩展造海岸的大自然现象。苏北已建的挡潮闸及沿海港口淤积严重，据调查已使下泄流量比建闸初期减少近半。若闸下河道弯曲距海边较远，淤积更甚，例如大型的射阳河闸于1956年建在距河口28km处，下游河道淤积，到1979年过闸最大流量降低到原来的1/3；为提高排水能力进行了闸下河道的裁弯取直，缩短15km，排水能力增加30%，冲淤变化已趋稳定。又如六垛南、北两闸，只有一堤之隔，共用一条出海口，二闸流量悬殊，南闸放水使下游水位迅速升高影响北闸下游出口水流，使其逐年淤积更甚，当东北风时与下游引河方向一致，淤积加快，现北闸已完全堵塞，成为一座“废闸”，而南闸大冲小淤，闸下最大冲深曾达9m，逐年抛石，成为一座“险闸”，以后由于上游建阜宁腰闸控制流量，南闸下游河床又逐渐回淤。同样在启东县沿海有七门港闸与桃花红闸共用一个出海口，由于两闸流量均小，两闸下游均淤积严重。其他省份在河口建闸也有此类问题，例如海河闸开始泄流量大，发生严重冲刷，后来入海流量减少，淤积又严重，以致泄流量相同情况下，上游水位比建闸初期抬高1m。

挡潮闸下游的淤积，决定于泄水流量与河口地形、泥沙、潮浪、风向、风速等因素，因此选闸位置至关重要。对于已建的挡潮闸，主要是调控泄水流量，也就是如何运用闸门管理方式来达到冲淤或少落淤的问题。现在苏北沿海经过长期管理挡潮闸的经验，已摸索出一套管理闸门方式。例如，大汛期含沙量大可多开闸冲淤（例如两天一次），小汛含沙量小，可以少冲（例如3天一次）。若针对某淤滩冲刷，也可集中开启少数个别闸门，以孔流冲近处淤，大开度堰流冲远处淤，开闸时间控制在低潮位6h之内；而且可结合有利的风向和降雨开闸或关闸，并注意缩短静水时间等。此外，还可运用闸门管理调度水源和纳潮冲淤。能否冲走淤积可参考前面的局部冲刷计算。总之应按照具体情况在运用管理中探索闸门调控开启方式，这将是解决挡潮闸河口淤积的一项经济有效的重要措施。

三、控制单宽流量防冲

在冲刷公式中已知单宽流量q是冲刷的主要因素，河床的岩土性质是抗冲的主要因素，因此，可以根据冲刷公式演算对于某种岩土河床不致发生显著冲刷的允许单宽流量，用来指导设计闸坝泄流的总宽度[2]。因为下游河道通常已预先根据河床土质和水位流量做好设计，故可由河道普遍冲刷公式（例如表3-3中末行公式）算出河床不冲不淤的平均单宽流量qm；然后再由表3-1中消能扩散良好情况下的数据平均值确定过闸单宽流量q0=1.6qm，从而由总流量Q求得闸总宽。经过演算求得各种土基上建闸应取的闸孔过水单宽流量q0允许值，见表3-8，也可据此绘出曲线图，便于设计或管理时查用。但是应当指出，根据不同的冲刷计算方法将得出不同的闸宽，例如淮河上蚌埠闸的设计经验中写道：“按苏联水工手册规定的抗冲流速计算闸宽，势必增加1.85倍，增加的工程量是很惊人的。”说明选用冲刷公式是否合理，关系着大量闸坝工程的造价。根据江苏省的建水闸经验，闸宽与河道宽的比值为0.6～0.85。

四、海漫防冲

抛石海漫是土质河床经常采用的防冲措施，在消力池等永久性消能工之后，一般均衔接一段保护河床的抛石海漫继续消减出池水流的有害余能。因此，海漫是消能防冲的最后一道防线，它不仅调整垂直流速分布为正规面流式，使河床冲坑平、浅、长，避免底流式使冲坑陡、深、短的危害；而且有助平面扩散，不使旁侧回溜越出海漫减小居河床中部的冲沆深度，避免形成左、右两个冲坑危及边坡的稳定。

在池末或混凝土固定护坦末端，无论从地表水流或地下渗流，都要求设置尾槛消减余能，并隔开海漫，如图3-28所示。海漫前部块石的大小可按出池水流块石海漫冲刷公式（3-20）计算（或用表3-3中的简化冲刷公式），块石不够大时，前部还可采用混凝土块。海漫最好稍向下游倾斜，以利迅速调整为正常流速分布。海漫末端还可做一道块石防冲槽，并使槽底脚不被淘刷。

海漫末端的结构型式是避免河床冲深并保护海漫完整不被淘刷的关键。按照德国爱德河口泄水闸和易北河上的堰闸防冲补救工程试验研究结果[24]，认为海漫末端以采用有弹性或柔性的装石沉排，并向下倾过渡到冲坑为好。具体做法可将各块石连接起来，或者用高抗拉强度的金属丝（直径约2.5mm）编织成网填满块石形成厚0.3m左右的沉排铺成海漫。同样，澳大利亚的试验研究结果[25]也认为，这种沉排海漫在末端做成倾斜就可保持沉排海漫的完整性，见图3-29。做成垂直式末端容易被淘刷折断破坏。倾斜的柔性沉排海漫末端，在闸上游可用1∶2，闸下游的沉排末端倾斜度应较缓（1∶4），以免水流分离发生大的漩涡。海漫下面不能直接铺在河床上，特别是海漫前端一段，不仅出池的紊动水流会冲出缝中的河床泥沙，而且是下游渗流出口，在块石缝中的渗流特别集中，使出渗坡降增大（图3-30），若海漫下不铺设滤层，河床土就会在缝口发生流土破坏而被冲出造成个别块石的下陷坍坑，因此需要按太沙基滤层规格即D15＜5d85，4d15＜D15＜20d15，D50＜25d50铺设砂石料滤层。若用土工织物排水保护基土，其上仍需有一定厚度的强透水砂砾石层，免得缝中排水不够仍造成缝口的顶托力[26]。

海漫长度是否合适可根据下式计算：

式中　q——出池水流的最大单宽流量；

H——上、下游水头差；

K——随消能和土质情况而变的一个系数，一般在7～14之间，见表3-9。

如果结合冲刷公式中的水力因素，考虑出池水流与海漫末端水流两个断面处的比值关系，则可得出另一个海漫长度公式（图3-28）为

式中　K——仍取表3-9中的值；

h2——海漫末端的水深；

q2——河道允许的设计单宽流量；

q——出池水流最大单宽流量，一般可近似取过闸的q0（或查表3-1）；——一般为1.3左右（或查表3-2）。

其实，q2/q的比值也可参用表3-1中的qm/q比值，消能扩散良好时为0.95～0.67，较差时为0.67～0.33。

式（3-43）、式（3-44）计算结果基本一致，式（3-44）在形式上更为合理，不仅在尺度上和谐，而且把影响冲刷的消能扩散因素结合起来。式（3-44）中括号内的值约在0.2～0.8之间，说明消能扩散良好与否影响甚大。若出池水流已接近河道水流，式（3-44）计算长度也就自然趋于零。因此，如果能正确估计或经过水力计算取得消能扩散因素的数据时，自然采用式（3-44）计算更为精确。若缺乏资料，建议取因素的平均值，采用式（3-43）、式（3-44）比较计算来选定海漫长度。

五、冲坑底及坡面抛石防冲

当闸坝下游发生局部危险冲刷时，往往用抛石填补冲坑处加以保护的办法以免继续淘刷影响建筑物的安全。有时抛石数量很大，由于长期不断地大量抛石结果，有的被水流冲动，有的停留某处常会在闸坝下游自然形成一道石槛，虽然有助于防冲，但又会发生水流的偏转集中。例如苏北皂河闸，7孔全开时冲深4.2m，间隔开放时冲深5.4m，海漫冲成若干深塘。因此先后抛石2000余t，抬高了尾部海漫0.5～1.0m，水流稍偏，而且大量碎块冲陷下游坑底。又如浙江上浦闸下游冲深5.31m，1983—1987年抛石16600m3，仍不能达到预期目的，经分析认为是块石不够大，坑底泥沙被紊动水流吸出石缝。最后采用土工织物护坑底，防止了泥沙被吸出带走。然而保证抛块石的稳定，还需要根据水流情况计算不致被冲动的抛石块体尺寸，这种尺寸较大时，需要采用混凝土浇筑的块体或石笼，但不宜采用铅丝笼块石。

选用块体尺寸的原则，就是在已知水流作用力的条件下，计算石块可能发生滚动或被淘刷出来的稳定性。若设块体沿水流方向开始滑动时，水流动水压力与石块浮重产生的摩阻力相等，即

式中　d——石块的平均直径；

γs——石块重度；

γ——水的重度；

v——流速；

C——石块的形状系数；

μ——摩擦系数；

——石块的投影面积；

——石块的体积。

根据葛路特（Groat，1920，1930）[23]的最早野外试验结果μ=0.2，C=0.73，并设比重s=γs/γ，这样就可解得冲动石块的临界流速为

但是，根据后来学者的试验，前面的系数差别较大，苏联伊斯巴什（Изъаш，1936）的室内试验结果，当石块在堆石上滚动时，相当式（3-46）中的系数加倍为0.86；当石块自群体中冲出时，系数为1.2。德国哈通（Hartung，1972）等人的试验结果系数也为1.2。因此综合二者的公式，可写为

式（3-47）若以g=9.8m/s2，s=2.5代入计算，则得简式

式（3-47a）常被水工模型试验用来作为选用模型砂石大小的依据。但此式缺少水深的影响。因为水愈深，其不冲的临界平均流速vc愈大。

由于试验的水力条件和选用的试验块体形状不同，以致用上述各家系数算得的块体尺寸最大相差达7～8倍，而且这里采用底部石块的迎冲流速是很难确定的。因此应采用冲刷公式计算，这里考虑到类似块石海漫的冲刷，块石表面粗糙且受冲坑波动水流影响，故建议用出池水流尾槛后的块石海漫冲刷公式（3-20），不过在不允许冲刷情况下，公式中的水深等于冲刷坑上水深，即h=T，则得

或

式中　d——块石体积的等值直径；

h——抛石处的水深；

q——单宽流量。

若块石的比重设为s=2.65，g=9.8m/s2，代入式（3-49）简化，可得块石尺寸为

式（3-50）计算的块石尺寸，略大于伊斯巴什及哈通等人的公式（3-47），但比葛路特公式（3-46）小。这主要是三个公式试验块体的抗冲条件不同。

应用式（3-49）时，应注意到q的选取，严格来说，这里应取准备抛石的冲坑处q。由于冲刷后的水流会更集中，深坑上的q随着冲坑的加深将增大为不冲护坦末端的1～2倍，或参考式（3-19）进行估算。

【例】　尼罗河上的阿休德（Assiut）闸，q=12m2/s，尾水深h=4.6m，平均流速v=2.61m/s，该闸采用比重s=2.3的混凝土浇筑块抛填防冲。当时按照葛路特公式（3-46）计算，实际采用1.5m×1.0m×0.7m长方筑块，相当于直径d=1.26m。试比较各家公式。

【解】　将各家公式计算结果列入表3-10。

如果考虑到冲坑处的流量集中，采用单宽流量为1.4q时，由笔者公式（3-49）计算d=1.18m，接近于实际填抛的筑块尺寸。从式（3-49）可以看出，当高坝溢流的单宽流量大而水深小时，一旦岩块或混凝土块被掀起时，即使1000t以上的块体也会被冲至下游。

对于坡面上抛石的稳定性计算公式，只需在式中增加一项cosθ（θ为坡角），即将块体重量变为垂直于坡面的有效重量，则式（3-47）可写为

同样，式（3-48）可写为

或式（3-49）可写为

式（3-53）既可计算冲坑坡面上的抛石尺寸，也可用来计算闸坝下游两侧河岸淘刷时的抛块石尺寸，同时还可用来计算过水土坝的块石护坡以及堆石坝面溢流（不考虑渗流）时所需坡面上的块石尺寸，不过，此时的q及h应为坝面溢流的单宽流量及水深（厚度）。

【讨论】　以上抛石防冲块石大小与起动临界流速关系的试验公式计算比较结果，可知相差很大。如果再与前面黏土冲刷一节中的河道水流的砂砾起动流速公式比较，又可看出更大差别，例如公式（3-26）：

或

该式与闸坝出流波动、越尾槛跌流冲击海漫块石或抛石防冲等情况的式（3-48）和式（3-49）相比，可知vc大1倍，粒径d小8倍即。其差别原因主要是水力条件不同。至于伊斯巴什等人的公式（3-47），主要问题是没有考虑水深h的影响。因为一般试验水深很浅，而天然水流很深，并且试验分析结果，此起动临界平均流速是随水深有所增加。所以后来苏联学者岗查罗夫（Гонцаров，1954）和列维（Λеви，1952）等给出水深对数变化的修正公式（3-24）和式（3-25）。我们在文献[1]给出了指数公式（3-26）。此起动平均流速vc随h增加的原因是底砂起动主要是临底流速的影响，而流速分布是对数或指数关系，则同样的平均流速，水深时，其临底流速就小于水浅者。所以水越深，vc就增加一些，vc正比于h1/6。因此，不能直接把试验水深的公式用于天然水深情况。例如试验水深1m得出的vc1引用到闸下抛石冲刷，就应先算再代入式（3-48）或式（3-49）计算。关于这个泥沙起动问题在文献[43]，对我国研究泥沙起动流速成果的应用，结合Shields实验曲线已有较详细评述。

同样，对于抛石防冲或岩基河床冲刷所适用的有出池越槛的跌流（图3-13）或不脱开水体的出护坦射流[图3-24（a）]等水力条件的冲刷公式（3-48）及式（3-49），也必须考虑水深h的影响。例如计算溢流坝下岩基河床的冲刷：设已知水深1m的岩基不冲或起动平均流速为vc1=5m/s，则设计洪水深度4m时的起动流速应为vc=5（4）1/6=5×1.26=6.3m/s，代入式（3-26），设s=2.65，求得等效石块大小d=。如果引用不考虑水深影响的伊斯巴什公式（3-47）则d=1.045m，可知偏大4.4倍。据此计算冲刷或进行水工模型试验选取这样粗的模型砂，就可能不发生冲刷。如果给出的起动流速，不知道其相应水深，建议h=1m的vc1计算天然洪水深的vc。因为分析求算等效粒径d的公式（3-49），取h＜1，算出d偏大；取h＞1，d偏小。有了等效粒径d，可以代入冲深公式算冲深T，采用单宽流量q更为合理。

六、板桩截墙防冲

不采用平铺块石海漫防冲时，还可在混凝土护坦末端或消力池尾槛处打板桩或筑截墙深入地基来保护固定护坦下的地基免被淘刷失去稳定性，如图3-31所示。但此时应在前面护坦下设滤层排水以减轻拦截护坦末端渗流出口所增大的扬压力。板桩的深度则决定于冲坑深度和土质坡面的稳定性。此法也常用于护岸工程。

当岩基冲刷坑危及建筑物固定护坦时，也可采用稳定坑前岩坡面填补混凝土的防冲方案。如图3-32所示为多瑙河上的Kachlet堰[24]，片麻花岗岩河床被冲深6m。经过试验研究，在定床模型中测得底部最大动水压力荷载正好在动床模型的最大冲深处，因而采取了图3-32所示的堆石混凝土填筑形式（钢筋拉住）。