李振宇

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

圍堤湖分洪閘屬大（Ⅱ）型，工程等別為Ⅱ等工程，按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)方案水閘閘室布置于現(xiàn)有大堤堤身處，水閘中心線樁號(hào)2+100。閘孔型式為平底閘，閘孔凈寬為10 m，共14孔，溢流總寬度140 m，溢流前緣閘室總寬度為182 m，閘室順流向長度為25 m。閘底板高程為30.53 m，閘墩進(jìn)、出口端為半圓形。閘室上游接15 m長混凝土阻滑板，阻滑板上游為35 m長護(hù)坦段。閘室下接37 m長消力池，池深1.5 m，底板高程29.03 m，消力池下游接15 m長混凝土護(hù)坦，護(hù)坦下游為40 m長漿砌石海漫，坡比為1∶20，其下游端設(shè)13.5 m長拋石海漫。

分洪閘的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，沅水尾閭洪道安全泄量為20 000 m3/s，分洪閘設(shè)計(jì)最大分洪流量為3 190 m3/s。為驗(yàn)證分洪閘的泄流能力及消能防沖設(shè)計(jì)，采用1∶100整體水工模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 模型試驗(yàn)成果與分析

2.1 泄流能力試驗(yàn)

（1）14孔全開初時(shí)能力試驗(yàn)。

試驗(yàn)控制條件：14孔全開；沅水來流量20 000 m3/s，水位為分洪水位36.53 m；圍堤湖水位為分洪初時(shí)水位。試驗(yàn)成果見表1。

表1 14孔全開初時(shí)泄流能力試驗(yàn)成果一覽表

（2）14孔全開分洪過程試驗(yàn)。

試驗(yàn)控制條件：14孔全開；沅水來流量20 000 m3/s，水位為分洪水位36.53 m；圍堤湖垸內(nèi)水位按分洪時(shí)間與流量計(jì)算出水量，并由圍堤湖垸蓄洪水位～容積曲線圖上查得(分洪初時(shí)，垸低凹處已蓄水0.11 億 m3)。

設(shè)計(jì)一、二方案逐時(shí)段分洪流量、水量及垸內(nèi)水位見表 2、表3。

表2 設(shè)計(jì)一方案逐時(shí)段分洪流量、水量及垸內(nèi)水位表

表3 設(shè)計(jì)二方案逐時(shí)段分洪流量、水量及垸內(nèi)水位表

試驗(yàn)成果表明：試驗(yàn)初時(shí)分洪流量比設(shè)計(jì)計(jì)算值小10%～12.2%，有兩方面的原因：一是模型中湖內(nèi)有約1.0 m的初始水位；二是由于分洪閘中心線與沅水流向垂直布置，分洪閘進(jìn)口產(chǎn)生繞流，致使1#～3#孔分洪流量減小。設(shè)計(jì)一、二方案試驗(yàn)分洪歷時(shí)分別比設(shè)計(jì)計(jì)算值延長1.6 h、1.4 h（24 h 內(nèi)需分蓄洪水 2.37×億 m3）；設(shè)計(jì)一、二方案在24 h內(nèi)試驗(yàn)分洪水量分別為2.29億m3、2.31 億 m3。

2.2 分洪能力分析

試驗(yàn)初時(shí)分洪流量比設(shè)計(jì)計(jì)算值小10%～12.2%，分析認(rèn)為在平面正交側(cè)堰的泄流能力計(jì)算中，綜合流量系數(shù)取值偏大。

設(shè)計(jì)采用無坎寬頂堰泄流公式

在《水力計(jì)算手冊(cè)》中，明渠側(cè)堰的流量系數(shù)ms一般可表示為：

m為相應(yīng)的正堰流量系數(shù)；σ為修正系數(shù)，按恩格斯（Engels）的試驗(yàn)資料:

其中h2為側(cè)堰末端渠中水深；P為側(cè)堰高度；L為側(cè)堰長度。

圍堤湖分洪閘無坎寬頂側(cè)堰泄流公式可以表示為:

其中μ為綜合流量系數(shù)，σs為淹沒系數(shù)，m′為無坎寬頂堰流量系數(shù)。

對(duì)明渠側(cè)堰而言，L與P一般為同數(shù)量級(jí)，在圍堤湖分洪閘中，恩格斯（Engels）的試驗(yàn)資料得出的修正系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式顯然不適應(yīng)。采用表2設(shè)計(jì)一方案分洪流量過程的試驗(yàn)成果，通過反算綜合流量系數(shù)來確定修正系數(shù)σ。無坎寬頂堰流量系數(shù)m′據(jù)進(jìn)口翼墻的形式及平面收縮的程度，由《水力計(jì)算手冊(cè)》上查得m′為0.365；淹沒系數(shù)σs可通過試驗(yàn)中測得hs、H0的數(shù)據(jù)，并按《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》查得。

在設(shè)計(jì)一方案14孔全開分洪過程試驗(yàn)中，無坎寬頂側(cè)堰修正系數(shù)由上式（1）計(jì)算如表4。

表4 設(shè)計(jì)一方案14孔全開分洪過程試驗(yàn)修正系數(shù)一覽表

試驗(yàn)成果表明：圍堤湖分洪閘無坎寬頂側(cè)堰在分洪過程中，修正系數(shù)σ在0.79～0.90之間，也就是說，試驗(yàn)分洪能力值為設(shè)計(jì)計(jì)算值的79%～90%；而按照同蓄分洪水量2.37億m3，設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)際分洪歷時(shí)為21 t，試驗(yàn)值為25.5 t左右，兩者相差約18%，與上述分析基本一致。

2.3 進(jìn)口流態(tài)、流速與沖刷試驗(yàn)成果

設(shè)計(jì)二方案較設(shè)計(jì)一方案沿水閘中心線向湖內(nèi)后退了42 m，且進(jìn)口兩側(cè)各拓寬了約187 m，設(shè)計(jì)二方案進(jìn)口流態(tài)稍好，進(jìn)流順暢，各孔分洪能力較均勻；在分洪閘泄洪時(shí)，設(shè)計(jì)一、二方案在進(jìn)口導(dǎo)墻內(nèi)外均有明顯跌落，由于閘室水流受進(jìn)口繞流及隔墩收縮水流的影響，閘室內(nèi)水面有較大的坡降，并形成棱形波。

由于圍堤湖分洪閘與沅水流向正交布置，分洪閘泄洪后，在進(jìn)口護(hù)坦范圍內(nèi)出現(xiàn)大片的繞流，試驗(yàn)觀測到護(hù)坦與沅水河床銜接斷面的1#～9#孔口范圍，水流流向與水閘中心線呈70o～0o的夾角，越靠近右側(cè)，交角越大。比較設(shè)計(jì)一和設(shè)計(jì)二兩方案，設(shè)計(jì)二方案的繞流范圍要小一些，其水流流向與水閘中心線呈60o～0o的交角。從銜接斷面的沖刷情況看，交角越大，沖刷越嚴(yán)重，在水閘中心線往左23 m，往右86 m的范圍內(nèi)，從左至右沖刷深度，設(shè)計(jì)一方案為（0.4～4.4）m，設(shè)計(jì)二方案為（0～3.95）m。 在沅水河床與水閘護(hù)坦銜接斷面處，設(shè)計(jì)一和設(shè)計(jì)二兩種工況下，9#～14#孔范圍的水流流向均與水閘中心線大致平行，且沖刷較淺，沖深為（0～0.4）m。 由于 1#、2#孔流速較小，1#孔閘室及右側(cè)導(dǎo)墻處堆積了大量河床沖積物。

綜合比較閘室軸線布置方案，設(shè)計(jì)二方案在初始分洪能力、進(jìn)口流態(tài)、進(jìn)口沖刷方面要優(yōu)于設(shè)計(jì)一方案。

2.4 閘室出口消能防沖試驗(yàn)

試驗(yàn)中采取14孔全開；沅水水位為分洪水位36.53 m；圍堤湖水位為分洪初時(shí)水位；沖刷時(shí)間18 t為控制條件。

（1）原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)。

試驗(yàn)觀測到池內(nèi)流態(tài)為面流，水閘中心線處消力池池底流速為3.87 m/s，尾坎底部流速5.42 m/s，斜坡海漫段發(fā)生水躍，躍首距斜坡海漫起點(diǎn)約25 m，該處海漫底部流速為6.58 m/s，最大沖深為11.58 m，距離海漫末端32 m。閘室出口水流受右側(cè)導(dǎo)墻約束，在消力池末靠右側(cè)導(dǎo)墻處有小范圍回流。從沖刷情況看，沖刷較深，沖坑坡比達(dá)1/2.76，大于1/3的穩(wěn)定坡比，不能滿足護(hù)坦安全要求。故應(yīng)對(duì)消能工進(jìn)行修改。

（2）消能工比較方案試驗(yàn)。

經(jīng)分析認(rèn)為原設(shè)計(jì)方案沖刷較嚴(yán)重的原因：一是池內(nèi)水流未發(fā)生水躍，且水流流態(tài)為緩流，下泄水流的能量僅有沿程損失；二是1∶20的斜坡海漫使得出海漫水流潛入湖底并在斜坡海漫發(fā)生水躍。針對(duì)原方案存在的問題，對(duì)消力池池長及型式進(jìn)行了修改，并進(jìn)行了增設(shè)消力墩、二級(jí)消力池等方案試驗(yàn)。

加消力墩方案：試驗(yàn)中沿護(hù)坦縱向距離1/3、2/3處布置兩排消力墩（墩高1.6 m，墩長3.2 m，間距6.4 m），可消減10%左右的流速，垸內(nèi)沖刷稍有改善。

二級(jí)消力池方案：在修改方案一的基礎(chǔ)上設(shè)二級(jí)消力池，二級(jí)消力池池長30 m，一、二級(jí)消力池內(nèi)水流流態(tài)均為緩流，均未形成水躍，出坎流速由4.55 m/s減至3.95 m/s，垸內(nèi)沖刷沒有明顯改善，且對(duì)出口水流有頂托作用，對(duì)分洪泄量有影響。

抬高池底方案：因設(shè)計(jì)方案消力池內(nèi)水流流態(tài)為緩流，消力池的作用達(dá)不到預(yù)期效果。將消力池池底高程抬至30.53 m（作平底消力池），試驗(yàn)中測得：閘室出口流速為8 m/s左右，池內(nèi)水深較原設(shè)計(jì)方案減淺，弗氏數(shù)增大，水流流態(tài)變?yōu)榧绷?，但未發(fā)生水躍。

斜坡消力池方案：為使消力池內(nèi)產(chǎn)生水躍，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)工作；在推薦方案的斜坡消力池試驗(yàn)中，查閱了大量的資料，參考類似工程實(shí)例，從而確定選用斜坡消力池。

（3）推薦方案試驗(yàn)。

試驗(yàn)觀測到池內(nèi)流態(tài)為淹沒水躍，躍首距墩尾35 m，收縮斷面（躍首斷面）處底部流速為9.47 m/s，消力墩位置的池底流速為6.80 m/s，尾坎底部流速3.48 m/s,尾坎處的水深較深，出坎后水流主流已挑向表面，與下流水流銜接平穩(wěn)。最大沖深7.88 m，距離尾坎末32 m，垸內(nèi)沖刷明顯減輕，沖深僅為設(shè)計(jì)一方案的68%，而且沖刷范圍也減小了30%左右。

2.5 閘門調(diào)度試驗(yàn)

在控制沅水水位為分洪水位36.53 m，圍堤湖為初始分洪條件下，閘門調(diào)度共進(jìn)行了1孔、3孔、5孔、7孔間隔全開，5孔間隔與連續(xù)局部開啟且開度分別為 1，2，3，4 m 以及全開試驗(yàn)。

推薦方案部分孔口全開試驗(yàn)成果見表5。

表5 推薦方案部分孔口全開試驗(yàn)成果

在試驗(yàn)中，觀測到以上所有調(diào)度試驗(yàn)在相同歷時(shí)情況下，分洪初時(shí)下游沖刷均比14孔全開較淺。其中以5孔間隔開啟最好：消力池均為淹沒水躍，兩側(cè)無回流（5孔連續(xù)開啟時(shí)，池內(nèi)兩側(cè)有回流），下游相對(duì)其它調(diào)度方式?jīng)_刷最淺。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，可以得出閘門調(diào)度程序，供原型采用。

（1）一般不允許單獨(dú)1孔、2孔全開。

（2） 當(dāng)需分洪 0 m3/s＜Q≤1 120 m3/s，采用 5 孔間隔開啟，閘門開度從最小開高到全開。

（3） 當(dāng)需分洪 1 120 m3/s＜Q≤1 420 m3/s，在 5孔間隔全開的基礎(chǔ)上，將2#，4#孔閘門從最小開高均勻開啟至全開。

（4）當(dāng)需分洪Q>1 420 m3/s，在七孔間隔全開的基礎(chǔ)上，將另外7孔閘門從最小開高均勻開啟至全開。

3 結(jié)語

（1）試驗(yàn)初始分洪流量比設(shè)計(jì)計(jì)算值小10%～12.2%，相應(yīng)蓄洪歷時(shí)延長1.5 h時(shí)左右。

（2）經(jīng)閘室出口消能工方案比較試驗(yàn)，試驗(yàn)推薦方案的流態(tài)、湖垸內(nèi)沖刷及工程造價(jià)要優(yōu)于設(shè)計(jì)方案。

（3）建議在沅水河床與進(jìn)口護(hù)坦相街接的斷面用拋石設(shè)防沖隔斷墻，在閘室出口斜坡末端沿線設(shè)拋石防沖槽，以保護(hù)斜坡消力池的安全。

（4）經(jīng)閘門調(diào)度試驗(yàn)，綜合出閘流態(tài)與沖刷等情況，建議采用部分孔口間隔開啟的方式。