黃智敏，陸漢柱，付　波，鐘勇明

(廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635)

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東山攔河閘下游消能工加固改造研究

黃智敏，陸漢柱，付波，鐘勇明

(廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635)

摘要：東山水利樞紐攔河閘下游消力池遭受破壞，且下游河道河床下切、水位明顯降低，嚴重影響工程的安全運行。為了解決工程存在的問題，擬在已破壞的消力池改造的基礎(chǔ)上，在其下游修建二級消力池。根據(jù)攔河閘加固改造工程設(shè)計的閘址下游河道水位與流量關(guān)系資料，對攔河閘加固改造的下游兩級消力池體型和消能特性進行分析和水力計算，提出了消力池的布置方案。研究提出的加固改造兩級消力池方案經(jīng)水力模型試驗驗證是合理的，其成果可供類似工程設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：攔河閘；消力池；改造；消能

1　工程概況

東山水利樞紐工程為Ⅰ級大(1)型工程，工程位于廣東省豐順縣境內(nèi)的韓江干流上，是一座具有防洪、發(fā)電、航運、供水和灌溉等綜合效益的樞紐工程。

東山水利樞紐工程現(xiàn)布置19孔攔河水閘，單孔閘凈寬14 m，中墩和縫墩厚各為2.5 m和3 m，閘室泄水總凈寬為266 m、總寬度為318.5 m。水閘溢流堰型為平底寬頂堰，堰頂高程為15.5 m(珠基高程，下同)，閘室堰板末端以1∶4的斜坡段與下游消力池連接；消力池池底高程為12.5 m，水平段池長26 m，池深1.5 m，池末尾坎頂高程14.0 m；消力池尾坎末端接15 m長水平海漫段后，再接坡度為1∶15的斜坡海漫段，斜坡海漫段末端接防沖槽(見圖1)。

圖1東山水閘下游消能工現(xiàn)狀布置剖面圖(單位：m)

根據(jù)工程設(shè)計資料，樞紐壩址控制集水面積27 502 km2，樞紐工程正常蓄水位為25.5 m，設(shè)計洪水頻率為50 a一遇(P=2%)，相應(yīng)泄洪流量Q=15 431 m3/s；校核洪水頻率為200 a一遇(P=0.5%)，相應(yīng)泄洪流量Q=18 807 m3/s。

東山攔河閘于2008年7月建成投入運行。2013年4月底，攔河閘開閘泄洪期間，其4#～13#閘孔的閘室下游斜坡段和消力池產(chǎn)生不同程度的破壞，斜坡段和消力池底板開裂、不均勻沉降、錯縫上突等，嚴重影響工程的安全運行，其原因初步分析為攔河閘閘室上游防滲設(shè)施部分失效、閘室下游消力池底板部分排水孔堵塞等，后經(jīng)初步加固處理。

為了確保東山攔河閘下游消能工安全運行，需對攔河閘下游消能工進行加固改造。本文根據(jù)工程設(shè)計提供的閘址水位～流量關(guān)系，對東山攔河閘加固改造工程下游兩級消力池體型和消能進行計算和試驗論證，供類似工程設(shè)計和運行參考。

2　閘址水文條件選取

近年來，由于東山攔河閘下游河道人為無序采沙現(xiàn)象較為嚴重，導(dǎo)致閘下游河道河床下切、水位降低較明顯。根據(jù)近期的實測資料和分析，在中小洪水流量泄流運行時，現(xiàn)狀的水閘下游河道水位比2005年的東山攔河閘可行性研究階段的閘址下游河道水位相應(yīng)降低約1 m。因此，在本次加固改造工程設(shè)計中，綜合考慮現(xiàn)狀的閘址下游水位與流量關(guān)系、未來的河床下切和水位下降的可能性等，將東山攔河閘可行性研究階段(2005年)的閘址下游河道水位～流量關(guān)系下降約1 m～3 m考慮(見圖2)。

圖2東山水閘加固工程閘址Z—Q關(guān)系曲線

3　攔河閘下游消能工加固改造思路和布置

(1)加固工程擬對水閘中間的4#～12#閘孔下游消能工進行加固改造，其兩側(cè)以導(dǎo)墻與左、右兩端閘孔下游消能工分隔。工程運行中，先開啟加固工程的4#～12#閘孔泄流運行，待閘下游水位上升之后，再開啟其余兩側(cè)的10孔閘泄洪運行。

(2)在加固改造的9孔閘下游消力池底扳(高程12.5 m)上澆筑一層鋼筋混凝土進行加固，然后將消力池末端尾坎適當(dāng)加高，形成一級消力池。

(3)在加固改造的9孔閘一級消力池下游修建二級消力池，進一步消除一級消力池出流的能量，以確保工程運行的安全。

4　一級消力池加固改造布置和計算

4.1消力池底板加固改造

經(jīng)結(jié)構(gòu)計算和分析，在現(xiàn)狀消力池底扳(高程12.5 m)上澆筑一層厚0.8 m鋼筋混凝土進行加固，加固改造后消力池池底高程為13.3 m，消力池底板上游端以1∶5.91的斜坡段與閘室堰板下游末端連接(見圖3)。

圖3東山水閘加固工程下游兩級消力池布置示意圖(單位：m)

4.2消力池尾坎高度T和池長L確定

水閘下游河道水位降低之后，在閘上游為正常蓄水位、閘門局部開啟控泄運行時，一級消力池尾坎出流多為自由出流。根據(jù)文獻[1]等試驗成果，一級消力池布置要求為：池末端尾坎前緣水深(T+h)應(yīng)略大于躍后水深h2，若(T+h)/h2=1.1～1.2，則水平段池長L與水躍長度Lj之比L/Lj=1～0.95 ；若(T+h)/h2=1.2～1.3 ，則水平段池長L可縮短為約(0.95～0.85)Lj(見圖4)。

圖4一級消力池體型和水力參數(shù)示意圖

通常，一級消力池尾坎高度T和池長L隨水閘泄洪流量增大而增加，當(dāng)東山水閘19孔閘閘門全開泄洪時(Q≥4 200 m3/s)，水閘上、下游水位差ΔZ較小(ΔZ<0.35 m)，一級消力池內(nèi)無明顯的水躍，水流為波狀流流態(tài)，因此，一級消力池尾坎高度T和池長L應(yīng)由水閘上游水位為正常蓄水位、閘門局部開啟運行的最不利工況來確定。本文以東山水閘上游水位25.5 m(正常蓄水位)、閘門局部開啟最大開度e=2.0 m的加固工程9孔閘泄流運行條件，計算一級消力池尾坎高度T和水平段池長L(見表1)。由表1可見，取消力池尾坎高度T=2.2 m，計算得尾坎頂水深h=4 m，則有(T+h)=1.07h2。

表1　加固工程一級消力池尾坎高度T計算

由有關(guān)文獻[2-4]，可計算水躍躍長Lj=6.9(h2-h1)=33.7 m。由于已有(T+h)=1.07h2，可取一級消力池水平段池長L=Lj=33.7 m；為了縮短一級消力池池長，在池內(nèi)沒置一排消力墩(墩高2.3 m、墩寬和墩間距均為2 m)，將消力池水平段長度L減短為24 m(24/33.7=0.712)。因此，將現(xiàn)狀一級消力池末尾坎頂加高至15.5 m高程(尾坎頂厚度取3 m)，其下游以1∶3坡度斜坡段與二級消力池連接(見圖3)。

5　二級消力池布置和計算

5.1消力池末尾坎頂高程確定

首先，根據(jù)水閘閘址下游水位與流量關(guān)系，在滿足二級消力池出流與下游河道水流為緩流銜接和出池流速限值的條件下，先初擬二級消力池末端尾坎頂高程，然后再計算出二級消力池池深和池長[5-7]。

由于小流量相應(yīng)的攔河閘下游河道水位較低，且下游河道水位隨泄流量的增加上升較快，為了確保二級消力池出流與下游河道水流為緩流銜接，以攔河閘上游正常蓄水位25.5 m、加固工程9孔閘的第1檔閘門開度e=0.25 m初始泄流條件(消力池單寬流量q=2.05 m3/s·m、閘下游初始水位Z=12.2 m)，初擬二級消力池尾坎頂高程為11.2 m，則可計算出二級池尾坎頂水深t=1.0 m、尾坎頂斷面平均流速V=2.05 m/s、尾坎出流佛勞德數(shù)Fr=0.65；其余各級閘門開度e運行的二級消力池出流與下游河道水流銜接均為緩流銜接。

5.2消力池池深和池長確定

根據(jù)水閘運行不同泄洪流量的組合，計算出各運行組次的消力池池深，選其最大值Sm為池深[8-14]。本文以加固工程9孔閘在閘上游正常蓄水位25.5 m、不同閘門開度e泄流運行的工況，計算二級消力池的池深和池長，計算方法為：① 以一級消力池尾坎高度T=2.2 m，計算其尾坎頂全水頭h0，然后計算出二級消力池底的總水頭E1；② 由消力池有關(guān)的水力計算公式[2-4]，計算出消力池池深S和池長L。

由表2可見，在加固改造工程9孔閘閘門開度e=0.25 m初始泄流運行工況下(閘下游水位Z=12.2 m)，計算的二級消力池池深最大值Sm=0.92 m。經(jīng)綜合分析消力池運行水力條件、工程施工和投資等，二級消力池池深選用為0.8 m，池底板高程為10.4 m(見圖3)。

表2　加固工程二級消力池池深S值計算

注：水躍淹沒度σ取1.05；在e=2.0 m的組次計算中，取池底高程10.4 m。

在攔河閘全部19孔閘閘門全開泄流運行時(Q≥4 200 m3/s)，水閘上、下游水位差較小，二級消力池的水流基本恢復(fù)天然河道流態(tài)，因此，可采用加固改造工程9孔閘閘門局部開啟控泄的最大閘門開度e=2.0 m(閘上游水位為25.5 m)泄流工況，計算二級消力池水平段池長。由表2可計算出二級消力池水躍躍長Lj=28.64 m，可取其水平段池長L=0.7Lj=20.05 m(實際選用池長20 m，見圖3)。

6　水力模型試驗論證

對圖3的東山攔河閘加固改造工程(4#～13#閘孔)下游消能工布置進行水力模型試驗[15]，驗證了本文計算擬定的攔河閘加固改造工程下游兩級消力池布置和體型是合理的。試驗表明：

(1)在4#～13#閘孔閘門局部開啟的各級閘門開度e(e=0.25 m～2.0 m，閘上游水位25.5 m)泄流運行條件下，水閘泄流在其下游兩級消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的水躍，池內(nèi)水流消能較充分，二級消力池出流較平順與下游河道水流銜接。

(2)為了優(yōu)化攔河閘各閘孔的調(diào)度運行、確保攔河閘樞紐工程的安全，當(dāng)4#～13#閘孔閘門開度e=0.75 m泄流運行穩(wěn)定之后，閘下游河道水位約15.4 m，若閘上游河道洪水流量繼續(xù)增加，此時可將兩側(cè)10孔閘閘門開啟至第一檔開度e=0.25 m運行，然后交錯先開啟4#～13#閘孔、后開啟兩側(cè)10孔閘運行(每一級閘門開度間距Δe=0.25 m)，直至將19孔閘閘門開度全部開啟至e=2.0 m(Q=4 203 m3/s)運行；然后再將19孔閘閘門逐漸全開泄流運行。

7　結(jié)　語

東山攔河閘下游消力池運行遭受破壞及下游河床下切、水位明顯降低之后，迫切需進行加固改造，加固改造比選方案之一是在現(xiàn)狀消力池加固改造基礎(chǔ)上，在其下游修建二級消力池。本文根據(jù)攔河閘加固改造設(shè)計的閘址下游河道水位與流量關(guān)系資料，對攔河閘下游兩級消力池的體型和消能進行分析和計算，初擬出下游兩級消力池的布置和體型，并經(jīng)水力模型試驗證明是合理的。本文成果可供類似工程建設(shè)參考。

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StudyontheRebuildingofDongshanBarrageDownstreamEnergyDissipator

HUANG Zhi-min，LU Han-zhu,FU Bo,ZHONG Yong-ming

(GuangdongKeyLaboratoryofHydrodynamics,GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Guangzhou,Guangdong510635,China)

Abstract：Owing to the damage of the downstream stilling basin of Dongshan water control project barrage,the riverbed entrenchment，and the significant degradation of the downstream river water-level,the safe operation of the project is affected seriously.In order to solve these engineering problems,on the basis of the transformation of the damaged stilling basin,a secondary stilling basin was built at its downstream.Based on the data of the relationship between the downstream river water-level of the barrage site and discharge capacity of the project design,the configuration and energy dissipation characteristics of two stage stilling basins in the rebuilding design were analyzed and calculated hydrodynamically,moreover the arrangement scheme of the stilling basins was put forward.The rationality of the two stage stilling basin scheme was verified through hydraulic model tests.The study result will provide references for similar engineering designs.

Keywords：barrage;stilling basin;transformation;energy dissipation

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.034

中圖分類號：TV653+.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0168—04

作者簡介：黃智敏(1957—)，男，廣東惠州人，教授級高級工程師，主要從事水工水力學(xué)及河流動力學(xué)研究工作。

收稿日期：2014-08-11修稿日期：2014-09-09