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【摘 要】本文介绍了车尔臣河第二分水枢纽在且末县的重要作用、工程概况、河道洪水及泥沙情况，针对该枢纽水毁情况，浅析了其水毁原因。并通过消能防冲设施方案比较，分析了梳齿板（亦称裙板）消能工运用在该枢纽上的优特点及其设计时的注意事项。
【关键词】水毁修复 ；裙板消能 ；设计
Design of comb plate energy dissipation in water damage repair of second watershed Junction of Che'erchen River Design of
Liu Tao
(Xinjiang Tarim Basin Authority authority service center Korla Xinjiang 841000)
【Abstract】This article describes the second watershed Che'erchen River Junction important role in the Qiemo County, project profiles, river floods and sediment conditions, water damage case against the hub, because of its damaged. And facilities for energy dissipation through the program comparison and analysis of the comb plate (also known as apron) dissipator used in the hub of the priorities on the characteristics and design considerations.
【Key words】Water damage repair; Apron dissipation; Design
1. 工程的作用及其概况
车尔臣河第二分水枢纽位于且末县车尔臣河中游，现东风干渠渠首处，距且末县城9km。该枢纽主要担负着中游灌区农、林、牧业的灌溉引水任务。车尔臣河第二分水枢纽建成后改善了原河东、河西的引水条件，加快了塔里木南缘边远地区的经济腾飞，促进了塔里木油田开发建设，改善了本流域中下游生态环境，阻止了沙漠向绿洲入侵。
车尔臣河第二分水枢纽属中型枢纽，采用正面排砂、泄洪，两岸引水的拦河闸型式，主要由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。于1994年8月开工建设，1996年5月竣工验收并投入运行。
车尔臣河发源于新藏边界的木孜塔格峰，海拔6973m。该河是塔里木盆地南缘且末县境内年径流量最大的河流，由于70%的水量来自冰雪融水，故其径流年际变化不大，多年平均径流量为6.8×108m3。该河多年平均含砂量为12.8kg/m3，夏季洪水期实测含砂量可达141kg/m3，多年平均输砂量约671×104t。车尔臣河流域面积92794km2，其中积水面积24692km2。因其深居内陆，有高山阻挡气团侵入，并且北面受沙漠下垫面影响，水汽来源很少，形成了典型的干旱荒漠性气候。
2. 枢纽水毁状况及原因
2.1 水毁状况。
车尔臣河第二分水枢纽经过多年的运行，上游连接段护坡局部遭到破坏，但还算完好，主要是下游破坏严重。具体如下所述：
(1)原设计抛石坑中抛石已全部被冲走，防冲槽尾的隔墙（1.5m深）也被冲毁；4m深的防冲墙被冲毁，闸后护坦已不复存在，闸室尾部隔墙已被冲走。
(1)下游两岸悬臂式挡土墙已倾斜并开裂，最大裂缝宽达15cm，并向河道内倾斜，最大倾角已达15°。
(2)冲砂闸下游四道导流墙均出现不同程度的开裂，其中有三道头部已断裂并下沉。
(3)下游导流堤均出现不同程度的开裂，其中右岸与桥相连的头部已断裂并下沉。
(4)五孔泄洪闸中的闸底板已近2/3被冲毁、淘空。
(5)下游两岸边坡扭面段已全部冲毁，目前县上在该段用梢捆护岸；两岸浆砌石边坡底部已被淘刷，现状用铅丝笼护底。
(6)河道右岸交通桥处的边墩下沉，引起桥面开裂，缝宽2cm。
(7)上游铺盖及导流墙已冲毁、断裂。
2.2 浅析水毁原因
(1)水文分析误差。
原设计20年一遇的洪峰流量Q设=349m3/s，单宽流量为5.63m3/s-m；原校核50年一遇洪峰流量Q校=424m3/s，单宽流量为6.84m3/s-m。而据《车尔臣河流域规划水文分析计算书》，20年一遇洪峰流量达466m3/s，50年一遇洪峰流量达610m3/s，无论是设计还是校核洪水均已超过原校核洪水。由于洪水标准的变化，同一建筑物的设防标准提高了。
(2)超标准洪水发生造成水毁。
由2001年巴州水文局所做的《车尔臣河流域规划水文分析计算书》可知，1999年洪水Q洪=553m3/s，已超过该枢纽校核洪水129m3/s，是原校核洪水的1.3倍，已远超过该枢纽设防标准，而超标洪水时，由于下游隔墙冲刷坑深度不够，导致下游隔墙被毁，抛石坑中的块石被洪水带走，基础淘空后，下游护坦断裂并被洪水冲走，深度不断变大，两岸侧墙基础也被淘空而断裂、倾斜。加之，未及时抢险加护，任其发展，演变成目前的情况。
(3)闸后消能防冲型式设计。
原消能防冲采取的是闸后短护坦消能工型式，其工作原理是闸后修一陡坡来增大水动能，紧后接一段反坡护坦，利用增强的水动能把水流流态从底流变为面流，将水挑出去，在空中形成抛物线，然后在稍远的地方跌落形成冲刷坑。因车尔臣河多细颗粒砂成分，抗冲刷能力弱，故设计时在冲刷坑中填卵石来增强冲刷能力。但此型式要求抛石被洪水冲走后应及时回填以迎接第二场洪水，否则冲刷坑深度不断加深，会危及两岸及底部基础，造成溯源冲刷破坏，给工程管理带来较大的难度。因本次洪水连续，无法及时回填卵石以抵御特大洪水而被毁。
3. 修复工程设计
3.1 设计洪水的确定
此次修复是在原枢纽上进行，而该枢纽为一拦河式，闸室及其上部导流部分不进行加高，其渲泻洪水的能力将不变，故此次修复仍按该枢纽原设计时洪水大小进行设计。
3.2 工程设计
3.2.1 方案比选。
此次水毁工程修复设计，作了几个方案进行比选，如深截墙方案、常规消力池及裙板消能方案。深截墙方案施工难度大，普通机械不能满足施工要求；多沙河流引水枢纽闸后消能防冲设施若采用消力池，则消力池本身易被严重磨损，其尾槛受卵石撞击损坏，其次由于河道泥沙含量大消力池易被淤填而失其应有作用。若采用其它消能型式，则又因闸后水流佛氏数过低而不能形成挑流；或因下游水深较小而难以形成淹没式水跃消能。而梳齿板消能设施利用梳齿板将入射水流分散，扩大水流入水面积，减小河床单位面积上的冲击荷载，减轻对河床的冲刷；同时，利用产生的负旋滚将河床质回淤于梳齿板之下，从而防止基础被淘刷。新疆早在二十世纪五十年代就采用梳齿板（俗称裙板），作为引水枢纽的消能工，山西省也曾设计于水库泄洪洞的出口消能。工程实践证明，梳齿板是多沙软基河流上一种行之有效的消能防冲型式［1］。综上，本枢纽水毁修复的设计在下游消能采取梳齿板消能型式。
3.2.2 工程设计。
梳齿板尽管已有不少工程设计实例，但至今尚未见到对这种消能防冲型式的系统研究成果，使得梳齿形裙板的采用及其设计只能凭经验确定，缺乏充分的科学依据。
新疆水利科学研究所根据水工模型试验结果，对梳齿板消能工的水力特性、冲刷规律以及梳齿板的设计计算方法作了一些初步研究。从梳齿板消能工的水流特性和消能特性可以看出，下游局部冲刷随衔接流态不同而具有不同的冲深。对底流衔接和平顺衔接来说，冲刷坑的形成，主要是床面附近的流速梯度产生的对床面的切应力所致。底流衔接的流速梯度大，冲刷坑较深。平顺衔接的流速梯度小，冲刷坑较浅。对面流衔接来说，冲坑的形成则主要是主流水舌降落时的冲击作用。
车尔臣河第二分水枢纽属径流式引水枢纽，其特点是：水位、流量变幅大，上述三种流态都有可能发生。设计时，应分别对不同流态下的冲刷深度进行计算。结果见表1。
前已述及，梳齿板消能防冲没有系统研究成果，其设计只能凭经验，冲深计算结果只能作为设计参考，翻阅我区已建类似工程资料，结合当地实际地质条件，将梳齿板防冲隔墙深度定为6m。
3.3.3 值得注意的方面：
(1)梳齿板高程是与闸底板高程的选择相联系的，主要应考虑河床冲淤变化的情况。对于下切河床，闸底板和梳齿板高程要低一些。对于淤积河床，其高程的选择一般应比原河床要高一些。因本次设计是枢纽修复，不能随意改变原闸底板高程，根据经验，需梳齿板末端高程以不高于闸室末端高程为限。
(2)梳齿板长度的选择应考虑建筑物的重要性、地质地基情况、冲坑位置和深度等。据查，梳齿板的长度对流态和冲坑深度基本上无影响，只是梳齿板长的比短的冲坑距离要稍远一些，其移动距离等于长短梳齿板长度之差。梳齿板过长不经济，过短则形不成梳齿板消能防冲的典型流态。乌鲁木齐市大西沟青年渠首上梳齿板消能设施自1958年建设以来，除圆木裙板因毁坏而更换外，运行良好。参考其长度，将修复设计中梳齿长度定为6m、4.5m。
(3)梳齿板与防冲隔墙之间的高差和间隙宜在20cm左右，梳齿板倾斜宜在0.1左右。值得一提的是梳齿板与隔墙之间的20cm间隙一定要留，否则不能产生回流，河床质无法回淤于梳齿板之下而造成基础淘刷。
(4)在梳齿板下应尽量回填大粒径石料，以增加抗冲能力。鉴于原枢纽抛石被冲，故回填石料需有一定的自重用以抗冲，本设计梳齿板下抛石改为边长为1.25m的砼正四面体，因其自重较大，且自身稳定，不宜被冲走。
(5)梳齿板的材料，以前多采用直径在20cm以上的圆木或钢筋砼构件，但其耐磨性差，更换频繁。本次设计梳齿板采用的是抗砸耐磨性能比较好的钢结构，造价虽高，但其更换周期长，因采取焊接连接，故施工简单。
4. 结论与建议
4.1 梳齿板是多沙软基河床和砂砾卵石河床上一种行之有效的消能防冲型式。它的作用主要在于增大水流入水面积，减小单位面积上进入下游河床的动量，并在梳齿板底部下面的空间形成反向旋滚，从而防止基础被淘刷。
4.2 梳齿板消能工在日常运用条件下的三元水流控制问题和梳齿板底部下面的淘刷问题，必须在运行中给予应有的重视。当少数孔开启泄流时，在梳齿板底部有可能形成横向水流流路而淘刷基础。因此应加强闸门的合理运用，例如对称开启或间隔开启等。防止集中偏流，尽量保持均匀下泄，避免水流过于集中偏向而造成单宽流量局部增大或产生横向环流现象，确保工程安全。
参考文献
［1］ 严晓达等编著《低水头引水防沙枢纽》水利电力出版社1990年11月第一版P259-263；
［2］ 陈树林著《引水防沙枢纽梳齿板消能防冲设施的试验研究》新疆水利科技1986年第1期P40-4。
［文章编号］1006-7619（2010）11-18-997
【关键词】水毁修复 ；裙板消能 ；设计
Design of comb plate energy dissipation in water damage repair of second watershed Junction of Che'erchen River Design of
Liu Tao
(Xinjiang Tarim Basin Authority authority service center Korla Xinjiang 841000)
【Abstract】This article describes the second watershed Che'erchen River Junction important role in the Qiemo County, project profiles, river floods and sediment conditions, water damage case against the hub, because of its damaged. And facilities for energy dissipation through the program comparison and analysis of the comb plate (also known as apron) dissipator used in the hub of the priorities on the characteristics and design considerations.
【Key words】Water damage repair; Apron dissipation; Design
1. 工程的作用及其概况
车尔臣河第二分水枢纽位于且末县车尔臣河中游，现东风干渠渠首处，距且末县城9km。该枢纽主要担负着中游灌区农、林、牧业的灌溉引水任务。车尔臣河第二分水枢纽建成后改善了原河东、河西的引水条件，加快了塔里木南缘边远地区的经济腾飞，促进了塔里木油田开发建设，改善了本流域中下游生态环境，阻止了沙漠向绿洲入侵。
车尔臣河第二分水枢纽属中型枢纽，采用正面排砂、泄洪，两岸引水的拦河闸型式，主要由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。于1994年8月开工建设，1996年5月竣工验收并投入运行。
车尔臣河发源于新藏边界的木孜塔格峰，海拔6973m。该河是塔里木盆地南缘且末县境内年径流量最大的河流，由于70%的水量来自冰雪融水，故其径流年际变化不大，多年平均径流量为6.8×108m3。该河多年平均含砂量为12.8kg/m3，夏季洪水期实测含砂量可达141kg/m3，多年平均输砂量约671×104t。车尔臣河流域面积92794km2，其中积水面积24692km2。因其深居内陆，有高山阻挡气团侵入，并且北面受沙漠下垫面影响，水汽来源很少，形成了典型的干旱荒漠性气候。
2. 枢纽水毁状况及原因
2.1 水毁状况。
车尔臣河第二分水枢纽经过多年的运行，上游连接段护坡局部遭到破坏，但还算完好，主要是下游破坏严重。具体如下所述：
(1)原设计抛石坑中抛石已全部被冲走，防冲槽尾的隔墙（1.5m深）也被冲毁；4m深的防冲墙被冲毁，闸后护坦已不复存在，闸室尾部隔墙已被冲走。
(1)下游两岸悬臂式挡土墙已倾斜并开裂，最大裂缝宽达15cm，并向河道内倾斜，最大倾角已达15°。
(2)冲砂闸下游四道导流墙均出现不同程度的开裂，其中有三道头部已断裂并下沉。
(3)下游导流堤均出现不同程度的开裂，其中右岸与桥相连的头部已断裂并下沉。
(4)五孔泄洪闸中的闸底板已近2/3被冲毁、淘空。
(5)下游两岸边坡扭面段已全部冲毁，目前县上在该段用梢捆护岸；两岸浆砌石边坡底部已被淘刷，现状用铅丝笼护底。
(6)河道右岸交通桥处的边墩下沉，引起桥面开裂，缝宽2cm。
(7)上游铺盖及导流墙已冲毁、断裂。
2.2 浅析水毁原因
(1)水文分析误差。
原设计20年一遇的洪峰流量Q设=349m3/s，单宽流量为5.63m3/s-m；原校核50年一遇洪峰流量Q校=424m3/s，单宽流量为6.84m3/s-m。而据《车尔臣河流域规划水文分析计算书》，20年一遇洪峰流量达466m3/s，50年一遇洪峰流量达610m3/s，无论是设计还是校核洪水均已超过原校核洪水。由于洪水标准的变化，同一建筑物的设防标准提高了。
(2)超标准洪水发生造成水毁。
由2001年巴州水文局所做的《车尔臣河流域规划水文分析计算书》可知，1999年洪水Q洪=553m3/s，已超过该枢纽校核洪水129m3/s，是原校核洪水的1.3倍，已远超过该枢纽设防标准，而超标洪水时，由于下游隔墙冲刷坑深度不够，导致下游隔墙被毁，抛石坑中的块石被洪水带走，基础淘空后，下游护坦断裂并被洪水冲走，深度不断变大，两岸侧墙基础也被淘空而断裂、倾斜。加之，未及时抢险加护，任其发展，演变成目前的情况。
(3)闸后消能防冲型式设计。
原消能防冲采取的是闸后短护坦消能工型式，其工作原理是闸后修一陡坡来增大水动能，紧后接一段反坡护坦，利用增强的水动能把水流流态从底流变为面流，将水挑出去，在空中形成抛物线，然后在稍远的地方跌落形成冲刷坑。因车尔臣河多细颗粒砂成分，抗冲刷能力弱，故设计时在冲刷坑中填卵石来增强冲刷能力。但此型式要求抛石被洪水冲走后应及时回填以迎接第二场洪水，否则冲刷坑深度不断加深，会危及两岸及底部基础，造成溯源冲刷破坏，给工程管理带来较大的难度。因本次洪水连续，无法及时回填卵石以抵御特大洪水而被毁。
3. 修复工程设计
3.1 设计洪水的确定
此次修复是在原枢纽上进行，而该枢纽为一拦河式，闸室及其上部导流部分不进行加高，其渲泻洪水的能力将不变，故此次修复仍按该枢纽原设计时洪水大小进行设计。
3.2 工程设计
3.2.1 方案比选。
此次水毁工程修复设计，作了几个方案进行比选，如深截墙方案、常规消力池及裙板消能方案。深截墙方案施工难度大，普通机械不能满足施工要求；多沙河流引水枢纽闸后消能防冲设施若采用消力池，则消力池本身易被严重磨损，其尾槛受卵石撞击损坏，其次由于河道泥沙含量大消力池易被淤填而失其应有作用。若采用其它消能型式，则又因闸后水流佛氏数过低而不能形成挑流；或因下游水深较小而难以形成淹没式水跃消能。而梳齿板消能设施利用梳齿板将入射水流分散，扩大水流入水面积，减小河床单位面积上的冲击荷载，减轻对河床的冲刷；同时，利用产生的负旋滚将河床质回淤于梳齿板之下，从而防止基础被淘刷。新疆早在二十世纪五十年代就采用梳齿板（俗称裙板），作为引水枢纽的消能工，山西省也曾设计于水库泄洪洞的出口消能。工程实践证明，梳齿板是多沙软基河流上一种行之有效的消能防冲型式［1］。综上，本枢纽水毁修复的设计在下游消能采取梳齿板消能型式。
3.2.2 工程设计。
梳齿板尽管已有不少工程设计实例，但至今尚未见到对这种消能防冲型式的系统研究成果，使得梳齿形裙板的采用及其设计只能凭经验确定，缺乏充分的科学依据。
新疆水利科学研究所根据水工模型试验结果，对梳齿板消能工的水力特性、冲刷规律以及梳齿板的设计计算方法作了一些初步研究。从梳齿板消能工的水流特性和消能特性可以看出，下游局部冲刷随衔接流态不同而具有不同的冲深。对底流衔接和平顺衔接来说，冲刷坑的形成，主要是床面附近的流速梯度产生的对床面的切应力所致。底流衔接的流速梯度大，冲刷坑较深。平顺衔接的流速梯度小，冲刷坑较浅。对面流衔接来说，冲坑的形成则主要是主流水舌降落时的冲击作用。
车尔臣河第二分水枢纽属径流式引水枢纽，其特点是：水位、流量变幅大，上述三种流态都有可能发生。设计时，应分别对不同流态下的冲刷深度进行计算。结果见表1。
前已述及，梳齿板消能防冲没有系统研究成果，其设计只能凭经验，冲深计算结果只能作为设计参考，翻阅我区已建类似工程资料，结合当地实际地质条件，将梳齿板防冲隔墙深度定为6m。
3.3.3 值得注意的方面：
(1)梳齿板高程是与闸底板高程的选择相联系的，主要应考虑河床冲淤变化的情况。对于下切河床，闸底板和梳齿板高程要低一些。对于淤积河床，其高程的选择一般应比原河床要高一些。因本次设计是枢纽修复，不能随意改变原闸底板高程，根据经验，需梳齿板末端高程以不高于闸室末端高程为限。
(2)梳齿板长度的选择应考虑建筑物的重要性、地质地基情况、冲坑位置和深度等。据查，梳齿板的长度对流态和冲坑深度基本上无影响，只是梳齿板长的比短的冲坑距离要稍远一些，其移动距离等于长短梳齿板长度之差。梳齿板过长不经济，过短则形不成梳齿板消能防冲的典型流态。乌鲁木齐市大西沟青年渠首上梳齿板消能设施自1958年建设以来，除圆木裙板因毁坏而更换外，运行良好。参考其长度，将修复设计中梳齿长度定为6m、4.5m。
(3)梳齿板与防冲隔墙之间的高差和间隙宜在20cm左右，梳齿板倾斜宜在0.1左右。值得一提的是梳齿板与隔墙之间的20cm间隙一定要留，否则不能产生回流，河床质无法回淤于梳齿板之下而造成基础淘刷。
(4)在梳齿板下应尽量回填大粒径石料，以增加抗冲能力。鉴于原枢纽抛石被冲，故回填石料需有一定的自重用以抗冲，本设计梳齿板下抛石改为边长为1.25m的砼正四面体，因其自重较大，且自身稳定，不宜被冲走。
(5)梳齿板的材料，以前多采用直径在20cm以上的圆木或钢筋砼构件，但其耐磨性差，更换频繁。本次设计梳齿板采用的是抗砸耐磨性能比较好的钢结构，造价虽高，但其更换周期长，因采取焊接连接，故施工简单。
4. 结论与建议
4.1 梳齿板是多沙软基河床和砂砾卵石河床上一种行之有效的消能防冲型式。它的作用主要在于增大水流入水面积，减小单位面积上进入下游河床的动量，并在梳齿板底部下面的空间形成反向旋滚，从而防止基础被淘刷。
4.2 梳齿板消能工在日常运用条件下的三元水流控制问题和梳齿板底部下面的淘刷问题，必须在运行中给予应有的重视。当少数孔开启泄流时，在梳齿板底部有可能形成横向水流流路而淘刷基础。因此应加强闸门的合理运用，例如对称开启或间隔开启等。防止集中偏流，尽量保持均匀下泄，避免水流过于集中偏向而造成单宽流量局部增大或产生横向环流现象，确保工程安全。
参考文献
［1］ 严晓达等编著《低水头引水防沙枢纽》水利电力出版社1990年11月第一版P259-263；
［2］ 陈树林著《引水防沙枢纽梳齿板消能防冲设施的试验研究》新疆水利科技1986年第1期P40-4。
［文章编号］1006-7619（2010）11-18-997