黃智敏，陳卓英，羅 岸，黃健東

(廣東省水利水電科學(xué)研究院廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510635)

修建在河道上的攔河閘壩樞紐工程，其下游消能工產(chǎn)生破壞的主要原因有:一是對(duì)河道過(guò)量采沙導(dǎo)致河床嚴(yán)重下切、水位明顯下降，造成其攔河閘上、下游水位差增大，攔河閘下游消力池水深減小、無(wú)法滿(mǎn)足消能的要求，消能工極易出險(xiǎn)和破壞［1－5］;二是其工程施工質(zhì)量達(dá)不到要求而產(chǎn)生破壞。潮州供水樞紐工程西溪攔河閘建成蓄水后，運(yùn)行不久造成其下游海漫段沖刷破壞，需進(jìn)行除險(xiǎn)與改造。本文根據(jù)西溪攔河閘工程布置和出險(xiǎn)的泄流水力參數(shù)，對(duì)其下游海漫段出險(xiǎn)的水力條件和原因進(jìn)行計(jì)算和初步分析，并介紹其除險(xiǎn)改造方案試驗(yàn)研究成果和運(yùn)行情況。

1 工程概況

西溪攔河閘位于廣東省潮州市境內(nèi)的韓江下游的西溪河道上，布置有16孔泄洪閘，單孔閘凈寬14 m，總凈寬224 m，閘室總寬度為262.1 m;閘室溢流堰為開(kāi)敞式寬頂堰，堰頂高程為1.5 m(珠基，下同);閘室下游消力池池底高程0.0 m，水平段池長(zhǎng)23.5 m，池末尾坎頂高程1.5 m;消力池下游設(shè)置18 m長(zhǎng)漿砌石水平海漫段、坡度為1∶10的干砌石斜坡海漫段和防沖槽等(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 潮州供水樞紐工程平面布置示意圖

圖2 西溪攔河閘及其下游消能工剖面圖(單位:m)

根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料，西溪攔河閘閘址區(qū)域河床為深厚軟基河床，河床表層的淤泥質(zhì)厚度達(dá)20 m～30 m，地質(zhì)條件較差。西溪攔河閘上游正常蓄水位設(shè)為10.5 m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。

西溪攔河閘于2005年9月建成蓄水。2006年3月下旬，西溪攔河閘消力池下游水平海漫段遭受到較嚴(yán)重的沖刷破壞，嚴(yán)重威脅樞紐工程的安全。2006年底，對(duì)西溪攔河閘下游消能工進(jìn)行了除險(xiǎn)和改造，除險(xiǎn)改造后的工程運(yùn)行情況良好。

2 消能工出險(xiǎn)及分析

2.1 消能工出險(xiǎn)情況

潮州供水樞紐東、西溪攔河閘于2005年9月底開(kāi)始下閘蓄水，由于工程建設(shè)和電站機(jī)組調(diào)試的需要，閘上游水位控制在約7.0 m～7.5 m運(yùn)行。2006年3月27日，東、西溪攔河閘下泄自蓄水以來(lái)的最大泄洪流量3 451 m3/s，其中西溪攔河閘下泄量約1 450 m3/s，閘上游水位控制約為7.0 m，攔河閘開(kāi)啟2#～16#閘孔(閘孔編號(hào)由左往右編排)、閘門(mén)開(kāi)度e約0.8 m和1.2 m兩檔泄流運(yùn)行。泄洪后檢查發(fā)現(xiàn)，4#～12#閘孔消力池下游18 m長(zhǎng)的漿砌石水平海漫段基本被沖毀，其最大沖深約4.3 m(最大沖深底高程約－2.8 m)，平均沖深約3 m，沖毀的沖渣堆積在水平海漫段下游干砌石斜坡海漫段的上游端。

2.2 消能工出險(xiǎn)原因分析

在20世紀(jì)90年代末至本世紀(jì)初，由于西溪攔河閘下游河道人為過(guò)量采沙的結(jié)果，閘址河道水位不斷地下降，在西溪攔河閘泄洪流量Q=200 m3/s～1 400 m3/s范圍內(nèi)，2006年3月實(shí)測(cè)的閘址水位—流量關(guān)系曲線(xiàn)比2002年工程初設(shè)階段的閘址水位—流量關(guān)系曲線(xiàn)下降了約0.8 m～1.7 m(見(jiàn)圖3)。因此，攔河閘下游河道水位降低，使得其下游消力池水深減小、消能率降低，出池水流挾帶較大的能量易造成下游海漫段沖刷破壞和損毀。

圖3 西溪攔河閘閘扯水位Z—流量Q關(guān)系

根據(jù)西溪攔河閘下游消能工出險(xiǎn)情況和泄流的水力參數(shù)，對(duì)其消能工運(yùn)行的水力條件進(jìn)行初步計(jì)算和分析。據(jù)了解，2006年3月27日出險(xiǎn)時(shí)的西溪攔河閘泄洪調(diào)度運(yùn)行資料為:閘上游水位Z0=7.0 m，水閘開(kāi)啟15孔閘、閘門(mén)開(kāi)度e=0.8 m～1.2 m，泄洪流量Q=1 450 m3/s;閘下游水位Z=3.9 m(消力池下游水平海漫段水深ht=2.4 m，比初設(shè)階段相應(yīng)水深減小約1.7 m，見(jiàn)圖3)。由于泄洪時(shí)攔河閘閘門(mén)開(kāi)度e開(kāi)啟0.8 m和1.2 m兩檔運(yùn)行(以e=1.2 m開(kāi)度運(yùn)行為主)，閘門(mén)開(kāi)啟的高度不均勻，為了便于計(jì)算和分析，采用15孔閘孔凈寬的平均泄流單寬流量為計(jì)算依據(jù)，因此，閘孔泄流運(yùn)行的單寬流量 q=1 450/210=6.9 m3/(s·m)。

由西溪攔河閘泄流水力參數(shù)和水閘下游消力池水力計(jì)算公式［6－8］，消力池池底總水頭 E0=7 m(閘上游水位Z0=7.0 m)，取消力池進(jìn)口斷面流速系數(shù)φ=0.97，計(jì)算得:消力池進(jìn)口收縮斷面水深h1=0.64 m，躍后水深h2=3.6 m，消力池末端出口水面落差 ΔZ=0.28 m，水躍躍長(zhǎng)Lj=20.44 m，水平段池長(zhǎng) L=0.8Lj=16.36 m，池深 S=1.28 m。

由計(jì)算結(jié)果分析:(1)西溪攔河閘下游消力池池長(zhǎng)和池深均可以滿(mǎn)足泄流運(yùn)行的要求;(2)計(jì)算的消力池下游水平海漫段的平均流速約2.3 m/s(消力池總寬度為262.1 m，水平海漫段水深ht=2.4 m)，考慮到消力池水深減小之后，池內(nèi)水流消能率降低，消力池及下游海漫段存在著泄流不均勻性、折沖水流等不利影響，消力池下游出池流速可取其平均流速的1.2 ～1.3 倍［9］，因此，消力池下游水平海漫段流速較大值約3 m/s。

消力池下游漿砌石海漫段的抗沖流速約為3 m/s～6 m/s［8］，本次泄洪運(yùn)行的攔河閘下游漿砌石水平海漫段的流速值約達(dá)漿砌石海漫段抗沖流速的下限值，但攔河閘下游漿砌石水平海漫段仍遭受較嚴(yán)重的沖刷和淘刷破壞，因此，攔河閘下游海漫段出險(xiǎn)除了考慮閘下游河道水位降低影響之外，還應(yīng)從漿砌石海漫段的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量、地基條件等進(jìn)行分析和尋找原因。

3 攔河閘除險(xiǎn)改造方案和試驗(yàn)

3.1 閘址水位—流量關(guān)系選取

為了確保西溪攔河閘下游消能工的安全運(yùn)行，除險(xiǎn)改造工程設(shè)計(jì)的攔河閘下游河道水位與流量關(guān)系選用閘下游河道河床可能挖沙最不利的狀況和下游河道出海口最低潮位(西溪攔河閘下游20多公里處為河道出?？?組合進(jìn)行推算，得出除險(xiǎn)改造工程設(shè)計(jì)的西溪攔河閘閘址水位—流量關(guān)系見(jiàn)圖3:本次除險(xiǎn)改造工程設(shè)計(jì)的閘址水位—流量關(guān)系與2002年工程初設(shè)階段相比，小流量降低約3 m、大流量降低約 6 m ～7 m［10］。

3.2 除險(xiǎn)改造的推薦方案

西溪攔河閘下游消能工水力模型試驗(yàn)的推薦方案為(見(jiàn)圖4):

圖4 西溪攔河閘下游消能工推薦方案剖面布置圖(單位:m)

(1)由于攔河閘閘室和其下游消力池位于深厚的軟基河床上，且現(xiàn)狀的下游消力池的結(jié)構(gòu)較完整，因此，保留現(xiàn)狀的消力池為一級(jí)消力池。在各級(jí)洪水流量泄流運(yùn)行時(shí)，下游河道水位較低，一級(jí)消力池出流多為自由出流，為了消除一級(jí)消力池內(nèi)的急流狀遠(yuǎn)驅(qū)水躍，將池末尾坎頂加高1.0 m(尾坎頂高程為 2.5 m)，池深由 1.5 m 增加至 2.5 m［11－12］。

(2)一、二級(jí)消力池之間陡坡段坡度為1∶4，經(jīng)水力模型試驗(yàn)優(yōu)化后的二級(jí)消力池池底高程為－3.3 m，池長(zhǎng)22 m，池深1.0 m，二級(jí)消力池進(jìn)口端(樁號(hào)0+068.80斷面)設(shè)置一排消力墩(墩高1.5 m、墩寬1.6 m(墩凈間距與墩寬相同));二級(jí)消力池尾坎末端接坡度為1∶25斜坡海漫段和防沖槽［11－14］。

3.3 水力模型試驗(yàn)成果

(1)在攔河閘各級(jí)洪水流量泄流運(yùn)行時(shí)，一級(jí)消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的水躍，池內(nèi)水流消能較充分，出池水流沿下游陡坡段較平順進(jìn)入二級(jí)消力池。一級(jí)消力池末尾坎頂加高1.0 m方案的工程投資較少、施工較方便，對(duì)改善一級(jí)消力池流態(tài)、確保工程安全運(yùn)行的效果是非常顯著的。

(2)一級(jí)消力池池末尾坎頂加高之后，其尾坎頂比攔河閘閘室堰頂高1.0 m，需對(duì)攔河閘的泄流能力進(jìn)行復(fù)核。

攔河閘泄流能力的復(fù)核可參見(jiàn)文獻(xiàn)［15］，其具體的方法為:仍采用工程初設(shè)階段的攔河閘閘址水位—流量關(guān)系(見(jiàn)圖3)，在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和校核洪水標(biāo)準(zhǔn)流量相應(yīng)的攔河閘下游河道水位(工程初設(shè)階段的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和校核洪水標(biāo)準(zhǔn)流量的相應(yīng)下游河道水位分別為12.7 m和14.35 m)條件下，計(jì)算出攔河閘閘孔凈過(guò)水面積分別為2 509 m2和2 878 m2、一級(jí)消力池末尾坎頂過(guò)水面積分別為2 673 m2和3 106 m2。計(jì)算表明，一級(jí)消力池末尾坎頂過(guò)水面積大于攔河閘閘孔過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，且攔河閘閘孔過(guò)水?dāng)嗝媸荛l墩阻水的影響，閘孔過(guò)水?dāng)嗝鎸?duì)水流側(cè)收縮影響大于消力池末尾坎頂過(guò)水?dāng)嗝?，因此，一?jí)消力池池末尾坎頂加高不會(huì)影響攔河閘的泄流能力［15］。

(3)二級(jí)消力池水流在消力墩的作用下，形成穩(wěn)定的強(qiáng)迫水躍，減短了二級(jí)消力池池長(zhǎng)，池內(nèi)水流消能較充分，出池流速小于其下游海漫段的抗沖流速。

4 攔河閘除險(xiǎn)改造后的運(yùn)行情況

2007年2月，西溪攔河閘下游消能工除險(xiǎn)改造工程建成運(yùn)行，運(yùn)行后經(jīng)歷了多次泄洪的考驗(yàn)，其中最大泄洪流量達(dá)約5 500 m3/s(約5 a一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水流量)。歷次泄洪中觀(guān)測(cè)到攔河閘下游一、二級(jí)消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的水躍，水流經(jīng)兩級(jí)消力池消能后，出池水流較平順與下游河道水流銜接，效果良好。

目前，由于西溪攔河閘下游河道水位仍高于除險(xiǎn)改造工程設(shè)計(jì)的閘址下游水位—流量關(guān)系的水位值，且閘下游河道已采取了較嚴(yán)格的禁止采沙的措施，因此，工程運(yùn)行中應(yīng)嚴(yán)格遵守?cái)r河閘閘門(mén)啟閉操作規(guī)程，同時(shí)加強(qiáng)下游河道水位的觀(guān)測(cè)，以確保工程長(zhǎng)期運(yùn)行的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)潮州供水樞紐工程西溪攔河閘建成運(yùn)行后，其消力池下游海漫段遭受到較嚴(yán)重的沖刷破壞。根據(jù)西溪攔河閘工程布置和泄流水力參數(shù)，對(duì)其下游消能工出險(xiǎn)的水力條件進(jìn)行計(jì)算，初步分析了西溪攔河閘下游海漫段出險(xiǎn)的原因。

(2)西溪攔河閘除險(xiǎn)改造工程將現(xiàn)狀消力池改造為一級(jí)消力池、在其下游修建二級(jí)消力池，并將一級(jí)消力池末尾坎頂加高至高于攔河閘閘室堰頂1.0 m等，對(duì)改善消力池流態(tài)、確保工程安全運(yùn)行的效果是非常顯著的。

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