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    低水頭攔河閘下游一、二級(jí)消力池的布置

    2013-09-05 22:13:38黃智敏陳卓英朱紅華鐘勇明
    水利水電科技進(jìn)展 2013年6期
    關(guān)鍵詞:東溪攔河閘陡坡

    黃智敏,陳卓英,朱紅華,鐘勇明

    (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)

    低水頭攔河閘下游一、二級(jí)消力池的布置

    黃智敏,陳卓英,朱紅華,鐘勇明

    (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)

    為了解決低水頭攔河閘下游河床下切、河道水位下降造成下游消能工無(wú)法正常運(yùn)行的問(wèn)題,需要對(duì)攔河閘工程下游消能工進(jìn)行除險(xiǎn)改造或重建?;趶V東省3座攔河閘除險(xiǎn)改造和重建工程的水力模型試驗(yàn)研究成果,對(duì)低水頭攔河閘下游兩級(jí)消力池的布置進(jìn)行研究,提出加高一級(jí)消力池尾坎頂及在下游陡坡段設(shè)置外凸型階梯跌坎等優(yōu)化措施。試驗(yàn)結(jié)果表明,采取上述措施可大幅度提高消力池水流消能率,簡(jiǎn)化消能工設(shè)施,節(jié)省工程投資。

    低水頭攔河閘;消力池;階梯消能工;尾坎

    通常,采用底流消能的低水頭攔河閘是在其下游修建消力池,并在消力池下游設(shè)置海漫段和防沖槽等,以確保攔河閘泄洪消能及其上、下游水流銜接過(guò)渡。對(duì)于大多數(shù)新建的攔河閘工程,采用一級(jí)消力池往往能節(jié)省工程投資,但由于部分已建攔河閘下游河道河床下切,水位明顯下降,現(xiàn)有消力池?zé)o法滿足攔河閘泄洪消能的要求,造成工程破壞或損毀,需對(duì)攔河閘工程進(jìn)行除險(xiǎn)改造或重建。在攔河閘下游消能工除險(xiǎn)改造或重建設(shè)計(jì)中,一般考慮以下2種情況:①若現(xiàn)狀消力池仍可加以利用,可在現(xiàn)狀消力池(一級(jí)消力池)下游增設(shè)二級(jí)消力池,采用分級(jí)消能的方式以確保工程的安全運(yùn)行;②若現(xiàn)狀消力池?zé)o法利用,則根據(jù)泄洪閘泄洪水力條件、閘址地形和地質(zhì)條件、兩岸堤圍和建筑物布置、工程施工和投資等,重建一級(jí)或兩級(jí)消力池。本文在廣東省3座攔河閘下游兩級(jí)消力池消能試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上,對(duì)攔河閘下游兩級(jí)消力池的布置進(jìn)行研究,供工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行參考。

    1 3座攔河閘下游兩級(jí)消力池布置試驗(yàn)研究

    1.1 共青河攔河閘壩重建工程

    共青河攔河閘壩樞紐位于廣東省電白縣西部的沙瑯江干流上,是一座以灌溉為主,兼顧供水、交通等功能的水閘工程。該工程始建于1958年,1988年重建后投入運(yùn)行。運(yùn)行多年來(lái),由于攔河閘下游河道人為超量挖沙,水位降低明顯,閘下游消能工無(wú)法正常運(yùn)行,險(xiǎn)情不斷,嚴(yán)重影響工程的安全運(yùn)行,因此重建攔河閘壩及消力池。

    共青河攔河閘壩重建工程為Ⅱ等大(2)型水閘,攔河閘壩上游正常蓄水位為19.3m,設(shè)計(jì)洪水頻率(P=2%)泄洪流量Q=2300 m3/s,校核洪水頻率(P=0.5%)泄洪流量Q=2 940 m3/s。閘壩主要建筑物包括攔河閘、溢流壩及兩岸連接段等。攔河閘布置5孔閘,單孔凈寬12.5 m,泄流總凈寬62.5 m,閘底高程16.3m;溢流壩段位于攔河閘的兩側(cè),兩側(cè)長(zhǎng)度均為45.68m,堰頂高程19.3m。攔河閘壩下游采用底流消能。

    現(xiàn)狀攔河閘壩上、下游河床高差達(dá)5~6 m,若攔河閘壩下游采用一級(jí)消力池布置,由于閘壩下游陡坡段及消力池兩岸側(cè)導(dǎo)墻較高,不利于兩岸堤圍的穩(wěn)定,且工程投資較大,因此,攔河閘壩下游采用兩級(jí)消力池布置方案,設(shè)計(jì)初擬的兩級(jí)消力池布置見(jiàn)圖1(a)。

    設(shè)計(jì)方案的攔河閘水力模型試驗(yàn)結(jié)果表明:①在各級(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,池長(zhǎng)和池深基本滿足設(shè)計(jì)要求;②在閘上游為正常蓄水位、5孔閘閘門局部開啟(閘門開度e≤2.1 m,泄流量Q≤520 m3/s)條件下運(yùn)行,一、二級(jí)消力池水流落差約6~7.5 m,且下游河道水位較低,因此,二級(jí)消力池內(nèi)水流波動(dòng)較大,消能不充分,池末尾坎形成較明顯的跌流,并在下游海漫段出現(xiàn)二次水躍,易對(duì)海漫段產(chǎn)生沖刷破壞。經(jīng)水力模型試驗(yàn)優(yōu)化后,攔河閘壩重建工程下游兩級(jí)消力池的布置見(jiàn)圖1(b)。相比設(shè)計(jì)方案,該推薦方案一級(jí)消力池體型和布置不變。為了改善一、二級(jí)消力池之間陡坡段的泄流流態(tài)和降低陡坡段流速,將其坡度由1∶2修改為1∶2.5,并參考已有工程經(jīng)驗(yàn)[1-2],在陡坡段設(shè)置了4級(jí)外凸型階梯,階梯高度a=0.35 m、間距s=3.2 m,見(jiàn)圖2。同時(shí),將設(shè)計(jì)方案的二級(jí)消力池池底和池末尾坎頂高程分別降低至8.0 m和8.8 m,在池內(nèi)上游端設(shè)置1排消力墩(墩高1.2 m、墩寬和墩間距均為1.6 m),水平段池長(zhǎng)由設(shè)計(jì)方案的25.35 m縮短為22 m;取消二級(jí)消力池下游的水平海漫段,在池末尾坎末端以1∶25斜坡海漫段與防沖槽連接;攔河閘下游消能工總長(zhǎng)度(計(jì)至防沖槽末端)由設(shè)計(jì)方案的135 m減短至106.5 m,大幅度節(jié)省了工程投資。

    圖1 共青河攔河閘及其下游消能工布置示意圖(單位:m)

    圖2 陡坡段不連續(xù)外凸型階梯布置示意圖

    攔河閘下游消能工優(yōu)化方案模型試驗(yàn)表明:①在閘上游為正常蓄水位、5孔閘閘門局部開啟(閘門開度e≤2.1m,泄流量Q≤520m3/s)條件下運(yùn)行,階梯陡坡段下游二級(jí)消力池入池流速比設(shè)計(jì)方案相應(yīng)流速減小約25%~30%,大幅度減輕了二級(jí)消力池的消能壓力;在閘門全開的各級(jí)洪水流量泄流運(yùn)行時(shí)(Q>520 m3/s),隨著泄流量的增大,下游河道水位逐漸上升,陡坡段外凸型階梯逐漸被淹沒(méi),一、二級(jí)消力池水流落差減小,水流銜接較平順。②二級(jí)消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的強(qiáng)迫水躍,池內(nèi)水流消能較充分。③二級(jí)消力池池底及尾坎頂高程降低之后,出池流速降低,出池水流與下游河道水流銜接較平順。

    1.2 烏石攔河閘除險(xiǎn)改造工程

    烏石攔河閘是廣東省普寧市引榕灌區(qū)的樞紐工程,屬Ⅲ等3級(jí)建筑物。攔河閘布置15孔閘,單孔閘凈寬7.6 m,閘底高程13.0 m,閘下游采用底流消能。攔河閘正常蓄水位為17.0 m,設(shè)計(jì)洪水頻率為20年一遇,相應(yīng)泄洪流量Q=2 660 m3/s;校核洪水頻率為50年一遇,相應(yīng)泄洪流量Q=3500m3/s。烏石攔河閘于1992年重建,重建工程竣工后,由于閘下游河道人為無(wú)序過(guò)量采沙,水位明顯下降,致使原消力池偏短、池深偏小,出閘水流消能不充分,水閘出流對(duì)下游河床造成嚴(yán)重沖刷,危及工程的安全運(yùn)行。

    在2000年烏石攔河閘除險(xiǎn)改造工程設(shè)計(jì)中,將現(xiàn)有消力池?cái)U(kuò)建為一級(jí)消力池,并在其下游修建二級(jí)消力池。經(jīng)水力模型試驗(yàn)論證之后,在維持設(shè)計(jì)方案兩級(jí)消力池位置和池長(zhǎng)不變的情況下,推薦兩級(jí)消力池布置見(jiàn)圖3。

    圖3 烏石攔河閘下游消能工推薦方案布置示意圖(單位:m)

    運(yùn)行流態(tài)如下[1-2]:①在各級(jí)洪水頻率流量泄流運(yùn)行時(shí),攔河閘出流均為自由泄流;在一級(jí)消力池內(nèi)增設(shè)2排消力墩(消力墩高1.8 m、墩寬和墩間距均為1.4 m)后,池內(nèi)形成穩(wěn)定的水躍,大幅度降低了一級(jí)消力池的出池流速。②一、二級(jí)消力池高差6~7 m,在洪水流量Q<1 580 m3/s泄流條件下,閘下游水位較低,二級(jí)消力池入池流速10~12 m/s,二級(jí)消力池內(nèi)水流波動(dòng)較大,消能不充分。于是,在一級(jí)消力池下游陡坡段設(shè)置了8級(jí)外凸型階梯(a=0.3~0.35m,s=3~4m)。修改后,在Q<1580m3/s泄流運(yùn)行時(shí),一級(jí)消力池出流沿下游階梯陡坡段逐級(jí)下跌,大幅度增加了泄流的紊動(dòng)和摻氣,明顯降低了陡坡段流速和二級(jí)消力池的入池流速,二級(jí)消力池入池流速只有光滑陡坡段相應(yīng)流速的70% ~80%,明顯增大了陡坡段的泄流消能率,有效減小了二級(jí)消力池的池長(zhǎng)和池深。隨著攔河閘下泄流量逐漸增加,下游河道水位逐漸抬高,淹沒(méi)陡坡段的外凸型階梯,一級(jí)消力池出流與下游河道水流銜接較平順。③考慮到下游河床存在繼續(xù)下切的可能性,將二級(jí)消力池池底高程和池末尾坎頂高程分別較設(shè)計(jì)方案降低0.5 m和0.8 m,在各級(jí)洪水流量泄流運(yùn)行時(shí),二級(jí)消力池出流與下游河道水流銜接較平順。烏石攔河閘除險(xiǎn)改造工程于2001年初建成投入運(yùn)行,至今運(yùn)行情況良好。

    1.3 潮州供水樞紐東溪攔河閘除險(xiǎn)改造工程

    潮州供水樞紐工程位于廣東省韓江下游的潮州市境內(nèi),為大(1)型水閘工程。樞紐工程橫跨韓江東溪、西溪兩河道,東溪、西溪樞紐各布置16孔攔河閘,單孔閘凈寬16 m,閘下游采用底流消能。攔河閘上游正常蓄水位為10.5m,設(shè)計(jì)洪水頻率為50年一遇,相應(yīng)泄洪流量Q=13600 m3/s;校核洪水頻率為200年一遇,相應(yīng)泄洪流量Q=18200 m3/s。

    東溪攔河閘于2004年建成投入運(yùn)行。近年來(lái),由于攔河閘下游河道人為過(guò)量采沙,造成閘下游河床嚴(yán)重下切,水位明顯下降,攔河閘下游消力池?zé)o法正常運(yùn)行。2006年汛期,東溪攔河閘消力池下游海漫段遭受不同程度的沖刷破壞,危及工程的安全運(yùn)行,需對(duì)閘下游消能工進(jìn)行除險(xiǎn)改造。

    東溪攔河閘下游消能工除險(xiǎn)改造設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖4(a),水力模型試驗(yàn)推薦的攔河閘下游消能工除險(xiǎn)改造布置見(jiàn)圖4(b),詳細(xì)的試驗(yàn)研究成果見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。本文主要對(duì)一級(jí)消力池末尾坎頂加高后對(duì)攔河閘泄流能力的影響進(jìn)行分析。

    圖4 東溪攔河閘下游消能工布置示意圖(單位:m)

    除險(xiǎn)改造設(shè)計(jì)方案保留現(xiàn)狀的消力池為一級(jí)消力池,為了消除池內(nèi)的折沖水流、遠(yuǎn)驅(qū)式水躍等不良流態(tài),將池末尾坎加高1.0 m,加高后的一級(jí)消力池末尾坎頂高程為2.5 m,尾坎頂比攔河閘堰頂高1.0 m。下面分析一級(jí)消力池尾坎加高后是否會(huì)影響攔河閘的泄流能力:通常確定攔河閘規(guī)模和泄流能力的閘址水位采用的是高水頭工況的水位-流量關(guān)系曲線(設(shè)計(jì)洪潮水面線),攔河閘上、下游水位差一般較小(如東溪攔河閘在校核洪水頻率流量泄流時(shí)上、下游水位差不超過(guò)0.3 m),攔河閘閘孔斷面和一級(jí)消力池末尾坎頂斷面的流速相差不是太大,同時(shí)考慮到攔河閘閘孔泄流的側(cè)收縮影響大于一級(jí)消力池末尾坎頂水流的側(cè)收縮影響,因此,只要一級(jí)消力池末尾坎頂過(guò)水?dāng)嗝娲笥跀r河閘閘孔過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,一級(jí)消力池末尾坎頂加高就不會(huì)影響攔河閘的泄流能力。

    在設(shè)計(jì)洪水頻率(P=2%)和校核洪水頻率(P=0.5%)的下游水位條件下,計(jì)算得出東溪攔河閘一級(jí)消力池尾坎過(guò)水面積大于水閘閘孔過(guò)水面積(表1)。模型試驗(yàn)表明,一級(jí)消力池末尾坎頂加高后,對(duì)東溪攔河閘泄流能力無(wú)影響。2008年初,東溪攔河閘下游消能工除險(xiǎn)改造工程建成投入運(yùn)行,運(yùn)行情況良好。

    表1 東溪水閘閘孔和一級(jí)消力池尾坎頂過(guò)水面積比較

    2 攔河閘下游兩級(jí)消力池布置理論分析

    2.1 一級(jí)消力池布置

    一級(jí)消力池主要承擔(dān)攔河閘泄流和下游二級(jí)消力池銜接過(guò)渡的作用,其泄流消能率一般較小,在攔河閘各級(jí)洪水流量泄流條件下,一級(jí)消力池內(nèi)水流應(yīng)較平穩(wěn),不應(yīng)出現(xiàn)折沖水流、遠(yuǎn)驅(qū)式水躍等不良流態(tài)。由于眾多的攔河閘除險(xiǎn)改造工程在中小洪水流量運(yùn)行時(shí),下游河道水位往往較低,一級(jí)消力池尾坎出流多呈自由出流狀況,因此,為了減小消力池池長(zhǎng)和池深,改善消力池運(yùn)行流態(tài),可采取在消力池內(nèi)設(shè)置消力墩、加高池末尾坎頂?shù)却胧?-8]。

    a.若工程條件許可,可在一級(jí)消力池內(nèi)設(shè)置消力墩等輔助消能工,以形成強(qiáng)迫水躍,并縮短消力池池長(zhǎng)。如烏石攔河閘除險(xiǎn)改造工程一級(jí)消力池內(nèi)設(shè)置消力墩后,消除了池內(nèi)遠(yuǎn)驅(qū)水躍,池內(nèi)形成穩(wěn)定的強(qiáng)迫水躍,一級(jí)消力池出流與下游二級(jí)消力池水流銜接較平順。

    b.若受一級(jí)消力池結(jié)構(gòu)、閘址河床地質(zhì)條件等限制,一級(jí)消力池內(nèi)無(wú)法設(shè)置消力墩等輔助消能工,則在不影響攔河閘泄流能力的前提下,適當(dāng)加高一級(jí)消力池末的尾坎頂高程,增加消力池的池深,以消除池內(nèi)的折沖水流、遠(yuǎn)驅(qū)式水躍等不良流態(tài),增大消力池的水流消能率。如在潮州供水樞紐東溪攔河閘除險(xiǎn)改造工程水力模型試驗(yàn)中,將攔河閘下游一級(jí)消力池末尾坎頂加高,明顯改善了一級(jí)消力池的運(yùn)行流態(tài),且工程量和投資較省,施工也較方便。

    若采取加高池末尾坎頂?shù)姆椒?,工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下問(wèn)題:①對(duì)尾坎為自由出流或部分洪水流量為自由出流的一級(jí)消力池,應(yīng)初步滿足消力池尾坎前緣水深大于躍后水深、池長(zhǎng)大于水躍長(zhǎng)度的要求[3]。②在設(shè)計(jì)洪水和校核洪水等洪水頻率流量條件下,計(jì)算復(fù)核攔河閘泄流能力是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求,即在相應(yīng)洪水流量的閘下游水位條件下,檢驗(yàn)一級(jí)消力池尾坎過(guò)水面積是否大于攔河閘閘孔總凈過(guò)水面積。③重要的工程應(yīng)經(jīng)水力模型試驗(yàn)論證。

    2.2 二級(jí)消力池布置

    根據(jù)一、二級(jí)消力池水力條件,由參考文獻(xiàn)[4]可計(jì)算出下二級(jí)消力池的體型參數(shù)。為了減小下游二級(jí)消力池的規(guī)模,可采用以下輔助消能工。

    a.當(dāng)一、二級(jí)消力池之間的陡坡段落差較大時(shí),可在陡坡段設(shè)置不連續(xù)的外凸型階梯,以消殺陡坡段的部分泄流能量,降低進(jìn)入下游二級(jí)消力池的流速,減小二級(jí)消力池的規(guī)模。如共青河攔河閘壩重建工程、烏石攔河閘除險(xiǎn)改造工程中的一級(jí)消力池下游陡坡段設(shè)置了不連續(xù)的外凸型階梯后,大幅度減小了二級(jí)消力池的規(guī)模,節(jié)省了工程投資,效果較顯著。攔河閘一、二級(jí)消力池之間陡坡段的不連續(xù)外凸型階梯體型布置、水力特性等參見(jiàn)文獻(xiàn)[5-6]。工程設(shè)計(jì)中,若一級(jí)消力池下游陡坡段坡度為1∶2~1∶4,外凸型階梯高度一般可取0.3~0.4 m,間距可取3~4 m,陡坡段末級(jí)階級(jí)面可高于閘下游最低水位0.5~1 m。

    b.二級(jí)消力池內(nèi)可設(shè)置消力墩等輔助消能工,使池內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)迫水躍,增大水流消能率,減小二級(jí)消力池的長(zhǎng)度。

    3 結(jié)語(yǔ)

    攔河閘下游河道河床下切、水位降低,會(huì)造成攔河閘下游消能工的破壞或損毀,危及工程安全運(yùn)行,需對(duì)攔河閘工程進(jìn)行除險(xiǎn)改造或重建。本文在總結(jié)廣東省3座攔河閘除險(xiǎn)改造和重建工程中下游兩級(jí)消力池布置試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上,對(duì)攔河閘下游兩級(jí)消力池的布置進(jìn)行分析,認(rèn)為在一級(jí)消力池內(nèi)設(shè)置消力墩,加高消力池末尾坎頂,在二級(jí)消力池上游陡坡段設(shè)置不連續(xù)的外凸型階梯等措施,可大幅度提高消力池的消能率,簡(jiǎn)化下游消能工設(shè)施,節(jié)省工程投資。

    [1]朱展毅.烏石攔河閘除險(xiǎn)加固工程消能建筑物的設(shè)計(jì)[J].廣東水利水電,2003(3):33-34.(ZHU Zhanyi.Design of energy-dissipating structure for Wushi Sluice Rehabilitation [J].GuangdongWaterResourcesand Hydropower,2003(3):33-34.(in Chinese))

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    [4]華東水利學(xué)院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè):第六卷 泄水與過(guò)壩建筑物[M].北京:水利電力出版社,1982.

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    [6]黃智敏,朱紅華,何小惠,等.溢洪道階梯陡槽段水深試驗(yàn)與計(jì)算探討[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展:A輯,2007,22(6):782-789.(HUANG Zhimin,ZHU Honghua,HE Xiaohu,et al.Calculation of the water depth on a stepped chute spillway based on experimental study[J].Chinese Journal of Hydrodynamics,2007,22(6):782-789.(in Chinese)).

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    [8]陸楊,劉煥芳,金謹(jǐn),等.T形墩消力池消能率的計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2012,32(6):42-45.(LU Yang,LIU Huanfang,JIN Jin,et al.Study on calculation of energy dissipation ratio and optimal design test of stilling basin with T-shape baffle[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32(6):42-45.(in Chinese))

    Layout of primary and secondary stilling basin downstream low head barrage

    HUANG Zhimin,CHEN Zhuoying,ZHU Honghua,ZHONG Yongming(Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics,Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guangzhou 510635,China)

    Because of the downstream river water-level degradation and river bed cutting,the downstream energy dissipator of barrage cannot operate normally,the improvement or reconstruction is needed for the energy dissipator.Based on the research results of the hydraulic model test of improvement and reconstruction of three barrages in Guangdong Province,a reasonable layout of barrage downstream two stilling basin is studied.The optimization measures of primary stilling basin end still top height,and the outer bulging step provided in its downstream slope are given.The flow energy dissipation rate of stilling basin is greatly improved,the energy dissipator facilities are simplified,and the project investment is reduced.

    low head barrage;stilling basin;step energy dissipator;end still

    TV653+.1;TV66

    A

    1006-7647(2013)06-0033-04

    10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.006

    黃智敏(1957—),男,廣東惠州人,教授級(jí)高級(jí)工程師,碩士,主要從事水工水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:hzm3011@163.com

    2013-01-07 編輯:駱 超)

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