黃智敏

東山水閘下游消能工出險初步分析和度汛研究

黃智敏

東山水閘于2013年汛期前期泄洪造成部分閘孔下游消能工遭受破壞，在出險閘孔下游消能工初步修復(fù)之后，水閘面臨汛期度汛的問題。在水閘下游消能工出險原因初步分析的基礎(chǔ)上，通過對樞紐電站運行的閘下游水位的分析和水閘下游消力池運行水力條件的計算，提出了水閘各類閘孔和閘門開度合理調(diào)度運行的度汛方案，得到了水閘調(diào)度運行的采用。研究成果可供類似工程運行參考。

水閘 消能工 出險 汛期 運行 研究

1 工程概況

東山水利樞紐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。東山水利樞紐工程為Ⅰ等大（1）型工程，主要由攔河水閘、電站、船閘和擋水壩段等組成。

攔河水閘布置19孔閘，水閘單孔閘凈寬14 m，中墩和縫墩厚各為2.5 m和3 m，閘室泄水凈寬為266 m、總寬度為318.5 m。水閘閘室溢流堰為平底寬頂堰，堰頂高程為15.5 m，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)

樞紐閘址控制集水面積27 502 km2，樞紐工程正常蓄水位為25.5 m（珠基，下同），設(shè)計洪水頻率為50年一遇（P=2%），相應(yīng)泄洪流量Q=15 431 m3/s；校核洪水頻率為200年一遇（P=0.5%），相應(yīng)泄洪流量Q=18 807 m3/s。

東山水閘于2008年7月建成運行。2013年4月底，在水閘開閘泄洪期間，其4#～13#閘孔的閘室下游陡坡段和消力池產(chǎn)生不同程度的破壞。本文在東山水閘出險原因初步分析的基礎(chǔ)上，對2013年汛期水閘閘門開啟調(diào)度運行方式進行研究，供類似工程運行管理參考。

2 水閘下游消力池出險及初步分析

2.1 消力池出險情況和搶險應(yīng)急措施

2013年4月28日約9時，東山水閘開閘泄洪，當時閘上游水位約25.5 m，泄洪流量約2 270 m3/s，其4#～13#閘孔的下游陡坡段和消力池產(chǎn)生不同程度的破壞，閘室下游陡坡段和消力池底板開裂、不均勻沉降、錯縫上突等。其中7#閘孔和13#閘孔的閘室底板末端與其下游陡坡段交界區(qū)域的淘刷深度分別約為5.8 m（底高程約9.7 m）和4.2 m（底高程約11.3 m），4#～7#閘孔和12#～13#閘孔閘室下游陡坡段混凝土底板均有不同程度的上凸，最大上凸高度達2 m。

針對水閘下游陡坡段和消力池底板破壞情況，采取的搶險應(yīng)急措施為：

（1）閘室下游陡坡段底板上凸高度小于0.5 m的混凝土塊，先鑿除凸起的混凝土塊，對淘空部位充填沙石混合料和水下混凝土，然后采用C30混凝土澆筑復(fù)蓋保護；閘室下游陡坡段底板上凸高度大于0.5 m的混凝土塊，首先鑿除凸起的部分混凝土塊，對淘空部位充填沙石混合料，然后在填充料和上凸斜板之間充填C30混凝土，待后期再鑿除超出設(shè)計高程的凸起斜板塊。

（2）對于閘室下游陡坡段和消力池底板開裂、不均勻沉降等，先對沖刷部位充填沙石料，鑿除凸起塊體和植入鋼筋，再澆筑C30混凝土復(fù)蓋保護。

2.2 出險的原因初步分析

水閘下游陡坡段和消力池底板遭受破壞之后，對其破壞的原因進行了初步的檢查和分析：

（1）水閘閘室上游防滲設(shè)施部分失效，閘室下游消力池底板部分排水孔被堵塞等，造成閘室下游陡坡段和消力池底板的揚壓力明顯增大，當揚壓力大于閘室下游陡坡段和消力池底板的承載力時，造成下游陡坡段和消力池底板開裂、沉降、上凸等。

（2）近年來，由于東山水閘下游河道人為無序采沙現(xiàn)象較為嚴重，導致水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年的東山水閘可行性研究階段的閘址下游河道水位相應(yīng)降低1～1.5 m（東山水閘2005年可行性研究階段的閘址下游河道最低水位Z=14.5 m，見圖2）。

圖2 東山水閘2005年可研階段閘址Z-Q關(guān)系曲線

因此，水閘下游河道水位降低之后，閘下游消力池的水深減小，降低了池內(nèi)水流消能率，增大了池內(nèi)出現(xiàn)水流漩滾回流、折沖水流的可能性，增加了出閘水流對下游陡坡段和消力池底板的沖擊作用，不利于工程的安全運行。

3 汛期度汛方案研究

3.1 汛期度汛方案的思路

東山水閘下游陡坡段和消力池底板遭受破壞、采取相應(yīng)的搶險應(yīng)急措施之后，其下游陡坡段和消力池尚無法進行除險加固改造，需進行2013年汛期的泄洪度汛。為了確保水閘壩的安全度汛，汛期度汛方案的基本思路為：

（1）在小洪水流量情況下，應(yīng)盡量采用電站機組發(fā)電泄洪。

（2）在上游洪水來流量大于電站機組發(fā)電流量時，先開啟完好的9孔閘（1#～3#和14#～19#）泄洪，然后視完好的9孔閘泄洪的下游消力池運行情況，再考慮開啟經(jīng)搶險應(yīng)急措施之后的10孔閘泄洪運行。

3.2 水閘泄流及消力池消能計算

根據(jù)擬定的汛期度汛方案的思路，首先對水閘泄流及消力池消能進行水力計算。

3.2.1 水閘各級閘門開度泄流能力

東山水閘下游消力池出險后，閘上游水位在23.0～24.0 m供電站發(fā)電運行。考慮水閘度汛運行較不利的情況，以水閘上游水位24.0 m為各級閘門開度e度汛泄洪的上游水位。采用水閘閘孔自由泄流流量計算公式（見式（1）、式（2）），計算的各級閘門開度e的閘孔泄流單寬流量q見表1。

水閘閘孔自由泄流流量計算公式[1-2]：

式中 μ——閘孔平板閘門流量系數(shù)；

g——重力加速度；

H0——包括行近流速水頭的閘上游總水頭；

e——閘門開度；

H——閘上游水頭。

表1 閘孔泄流單寬流量q計算表

3.2.2 水閘下游消力池消能

在水閘上游水位23.0～24.0 m條件下，電站機組發(fā)電運行的水閘下游水位為16.5～17.0 m?？紤]到水閘度汛泄洪的較不利的運行水力條件，以水閘上游水位24.0 m、閘下游水位16.5 m的運行狀況，并取消力池進口斷面流速系數(shù)φ=0.94～0.95，由文獻[3]有關(guān)消力池計算公式計算的水閘下游消力池池長和池深值見表2。

在水閘下游水位為16.5 m條件下，由于水閘下游河道較寬闊，水閘開閘泄洪之后，閘下游河道水位上升至穩(wěn)定尚需一段較長的時間。由表2可見，在電站發(fā)電運行的水閘下游水位為16.5 m條件下，若完好的9孔閘（1#～3#和14#～19#）突然開啟至開度e=0.8 m運行時，則下游消力池池深需達約1.62 m，現(xiàn)狀的消力池池深（S=1.5 m）無法滿足要求。水閘的現(xiàn)場試驗顯示，在電站發(fā)電的閘下游河道水位16.5～17.0 m條件下，當完好的閘孔（1#～3#和14#～19#）快速開啟至開度e＞0.8 m運行時，閘下游消力池水流洶涌湍急，池內(nèi)和池下游水流形成較明顯的水頭落差，出池水流直沖下游海漫段，不利于工程安全，因此，在完好的9孔閘單獨泄洪運行時，水閘閘門開度應(yīng)限制為e≤0.8 m運行。

表2 各級閘門開度e的下游消力池池長和池深計算表

3.3 汛期度汛方案的措施

由表1、2的計算結(jié)果分析，在現(xiàn)狀的水閘上游水位Z1=24.0 m、閘下游水位約為16.5 m的條件下，經(jīng)分析提出的東山水閘2013年汛期度汛方案為：

（1）在電站發(fā)電運行的基礎(chǔ)上，可將完好的9孔閘（1#～3#、14#～19#）閘門開度e開啟為e≤0.8 m運行。

（2）若水閘上游洪水來流量增大，可在完好的9孔閘開啟開度e=0.7～0.8 m運行的基礎(chǔ)上，根據(jù)出險的10孔閘（4#～13#）下游消能工損壞和修復(fù)情況，將其閘門先開啟e=0.1 m開度運行 （閘室下游陡坡段和消力池底板破壞較為嚴重的閘孔，可暫緩開啟）；待各閘孔泄流穩(wěn)定和閘下游水位上升之后 （出險修復(fù)的約10孔閘開啟e=0.1 m開度運行之后，閘下游水位增加0.2～0.3 m），再將完好的9孔閘閘門增加Δe=0.1 m開度 （即閘門開度e=0.8～0.9 m）運行；待完好的9孔閘泄流穩(wěn)定和閘下游水位上升之后，再將出險初步修復(fù)的10孔閘增加Δe=0.1 m開度（即閘門開度e=0.2 m）運行；······。由此類推，將完好的9孔閘和出險初步修復(fù)的10孔閘閘門循環(huán)交替開啟 （每一次增加的閘門開度Δe=0.1 m；閘室下游陡坡段和消力池底板破壞較為嚴重的個別閘孔，可在水閘上、下游水位差ΔZ＜0.5 m時，才逐漸開啟泄洪)，逐漸增大各閘孔閘門開度、泄流量和水閘下游水位，直至19孔閘閘門全部開啟至全開泄洪。

本文提出的水閘汛期度汛方案，得到了水閘調(diào)度運行的采用，并順利完成了水閘的2013年汛期度汛。

4 結(jié)語

2013年4月底，東山水閘泄洪造成部分閘孔下游陡坡段和消力池遭受破壞，在出險閘孔下游消能工初步修復(fù)的基礎(chǔ)上，水閘面臨著汛期度汛的問題。本文在水閘下游消能工出險原因初步分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)水閘樞紐電站運行的閘下游水位實際情況，通過計算和分析水閘下游消力池的運行水力條件，提出了完好閘孔和出險初步修復(fù)閘孔合理調(diào)度運行的汛期度汛方案，得到了水閘調(diào)度運行的采用。本文的成果可供類似工程運行參考。

[1]武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室.水力計算手冊（第2版）[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[2]華東水利學院主編.水工設(shè)計手冊（第1卷 基礎(chǔ)理論）[M].北京：水利電力出版社，1982.

[3]SL 265—2001水閘設(shè)計規(guī)范[S].

TV131.4

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1007-6980（2015）04-0048-03

2015-08-18）

黃智敏 男 教授級高級工程師 廣東省水利水電科學研究院 廣東廣州 510635