6 水闸总宽选择和布置

《水闸设计规范》（SL 265—2001）第4.2.6条原则性地规定：“闸孔总净宽应根据泄流特点、下游河床地质条件和安全泄流的要求，结合闸孔孔径和孔数的选用，经技术经济比较后确定。”在条文说明中则称“主要涉及两个问题：一个是过闸单宽流量的大小，另一个是闸室总宽与河道总宽度的关系”。如果“总净宽过小，使过闸单宽流量过大，将增加闸下消能布置的困难，甚至影响水闸工程的安全”；反之若闸孔总净宽过大，“工程量加大，造成浪费”。在以往很长时间内，多数水闸都以在设计洪水条件下，闸上下游水位差不大于0.3m为主要控制条件，亦即保证在设计洪水条件下，洪水壅水的尖灭点在闸前（注：按有关规定，水利工程的洪水回水线与天然水面线之差小于0.1～0.3m时，即认为“尖灭”，当作对原状不产生影响）。笔者认为，条文对“安全泄流”的一个重要内涵似应进一步阐述清楚，即还应保证过闸后水流的流场能平顺地向下游天然流场平顺过渡。否则水闸自身的消能虽然完成，但出消能设施后的流场与下游天然流场衔接不平顺，经消能的水流仍会冲刷河槽和两岸，甚至危及水闸的安全。图16（a）为广东省某大型水闸改建前（1987年）的下游地形图（摘自航测图），河床地质以中、细砂为主。在初步设计时曾考虑过采用20孔水闸加电站和船闸，基本满布全河宽的方案。后为节省投资，在满足泄洪要求的前提下，将其中9孔闸改为顶高与设计正常蓄水位相同的溢流坝。为方便施工，自左至右依次布置溢流坝、11孔水闸、船闸和电站，详见图16（b）。下游海漫前端面高程为0.0m，末端面高程为-1.5m；在海漫末端设一排钢筋混凝土防冲沉井，底高程为-4.0m；工程于1990年初建成。由于工程布置迫使过闸流量绝大部分集中在右侧，下游的主槽很快地从左岸移至右岸，同年6月已发现水闸第7～11孔的海漫被冲毁，其中崩塌部分已发展到第8孔消力池后部；海漫末端塌陷后最低点高程约为-3.0m，此后几乎每年都要大修，向下游抛石抢护。水闸在开敞过流时，现场可观察到：上游来水在闸上左侧发生强烈的收缩，左侧两个闸孔的过流很小，此收缩使过闸水流向偏右集中，形成较窄的带状折冲水流，一直延伸过海漫下游远端。下游右岸原堤前有较宽滩地的龙塘大堤，自1993年起已有长700m变成险段，部分断面崩塌线已发展到迎水坡中部。左岸溢流坝下游的消力池和水闸尽管已用导墙分隔，但强烈的回流仍使其下游海漫受损。图16（c）为工程建成10年后其下游的破坏情况，由图中可见，即使每年在闸后都抛块石或石笼抢护，闸后河床的局部冲深仍在-10m以下。

图16 某大型水闸建成10年后下游的破坏情况

从该工程设计和运用情况可以看出以下几点：

（1）由于该大型水闸设计上主要考虑过流能力布置闸孔宽度，没有考虑保证过闸后水流的流场能平顺地与下游天然流场平顺衔接，加上闸前的强烈收缩，过闸后的水流形成流量集中、重塑河床的、很长的带状折冲水流，闸后很快形成危及工程安全的深槽；下游右岸大堤原有较宽的堤前河滩已消失。这种过闸后产生折冲水流的工程，其布置和设计方案不能说是成功的。

（2）原河道无明显的滩槽界限，闸孔总宽与河道宽度比仅为0.5，工程的主要过流断面收缩太多。若将此比值增至0.6，初步分析可能不会有质的改善；采用原被弃置的20孔闸的方案（闸孔总宽与河道宽度比约为0.87），可能效果较好。

（3）在相同的上、下游边界条件下，平面上流速分布可近似地看成与水深的2/3次方成正比，垂线上的流速分布近似为对数曲线。故垂线上水深增加导致平均流速增加，使底部边界的流速梯度快速增加，使河床冲刷加剧，在一定程度上会形成恶性循环。建议将保证过闸后水流的流场能平顺地向下游天然河道的流场平顺衔接过渡、防止重塑河床和产生破坏性冲刷，作为水闸设计的布置和闸孔总净宽确定应遵循的主要原则。