旗嶺水閘加固擴(kuò)建工程消能設(shè)計(jì)

許志亮

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

1 工程概況

旗嶺水閘位于廣東省東莞市樟木頭鎮(zhèn)旗嶺村,樞紐由泄洪閘、溢流壩、兩側(cè)過水涵管、兩岸土壩連接段組成。左側(cè)泄洪閘由13個(gè)閘孔組成,寬101.04 m,泄洪閘底板面高程為7.244 m,閘孔凈寬6.00 m,墩厚1.50 m,閘頂高程18.244m,上設(shè)2.30 m寬人行橋和啟閉設(shè)備平臺(tái)及構(gòu)架,均為混凝土結(jié)構(gòu)。右側(cè)為溢流壩,寬72.40 m,堰頂高程11.244 m,攔河閘與溢流壩全長(zhǎng)173.44 m。2012年6月旗嶺水閘安全類別評(píng)定為“三類閘”。安全鑒定主要結(jié)論為:現(xiàn)狀水閘過流能力不滿足要求,泄洪閘消能防沖不滿足規(guī)范要求。建議拆除右岸溢流壩段,在其壩址位置擴(kuò)建泄洪閘,以滿足水閘泄流能力,重建泄洪閘消力池及海漫[1]。

為解決水閘過流能力不足問題,需進(jìn)行擴(kuò)建,水閘左側(cè)土壩段為東深供水渠堤岸和棄水口,無擴(kuò)展空間,因此水閘擴(kuò)建只有采取右側(cè)原溢流壩改建方案。經(jīng)計(jì)算右側(cè)新增水閘9孔,單孔寬度6.00 m,擴(kuò)建后水閘共22孔,水閘總凈寬132.00 m。

2 舊閘加固消能設(shè)計(jì)方案

根據(jù)安全鑒定結(jié)論,泄洪閘消能防沖不滿足規(guī)范要求,需進(jìn)行改建。改建方案采用一級(jí)消力池和二級(jí)消力池方案進(jìn)行比選。

2.1 一級(jí)消力池方案 (方案1)

重建一級(jí)消力池方案要求拆除消力池現(xiàn)有鋼筋混凝土斜坡段以下部分及海漫結(jié)構(gòu),并對(duì)兩岸擋墻進(jìn)行支護(hù)加固。經(jīng)消能計(jì)算,池底高程為3.10 m,池長(zhǎng)為30.00 m,尾坎高1.00m,消力池底板厚1.00 m;海漫長(zhǎng)40.00 m,海漫坡度為1∶20的緩坡,前10.00 m為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),后30.00 m為50 cm厚格賓石籠護(hù)墊,海漫后接長(zhǎng)10.00m深2.70 m的拋石防沖槽。

2.2 二級(jí)消力池方案 (方案2)

一級(jí)消力池的尾坎高程不變,設(shè)置1∶4斜坡段與二級(jí)消力池連接。二級(jí)消力池池底高程為3.30 m,池長(zhǎng)為31.50 m,尾坎高0.80 m,消力池底板厚0.80 m;海漫長(zhǎng)度40.00 m,海漫坡度為1∶20的緩坡,前10.00 m為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),后30.00 m為0.5 m厚金屬網(wǎng)箱海漫,海漫后接長(zhǎng)10.00 m深2.70 m的拋石防沖槽。

由于方案1必須拆除現(xiàn)有消力池及海漫,并開挖至2.00 m以下,施工難度較方案2大。同時(shí),水流從出閘到池底落差達(dá)5.244 m,消力池及兩側(cè)岸墻工程量明顯比增設(shè)方案2多,經(jīng)估算,采用方案1的投資為645.7萬元,較方案2多118.1萬元。而且石馬河管理處辦公樓緊靠下游水閘岸墻,距堤頂只有5.00 m,消力池開挖對(duì)管理處辦公樓帶來一定的不利影響。因此,推薦方案2為舊閘加固方案。

3 新建水閘段消能設(shè)計(jì)方案

為滿足過流要求,原閘右側(cè)寬72.40 m的溢流壩段拆除,改建為泄水閘,單孔寬度6.00 m,設(shè)計(jì)中分別進(jìn)行8孔、9孔、10孔方案比選(見表1),新增8孔方案上下游水頭差滿足規(guī)范要求,但值已接近上限,而10孔方案須開挖至土壩連接段,綜合比選最終選定新增9孔方案。

表1 各過流方案上下游水位差比較表

從節(jié)約投資角度考慮,新建水閘采用一級(jí)消力池方案,今后在運(yùn)行時(shí),水閘需首先開啟原13孔,待下游水位達(dá)到一定程度滿足新建水閘消能條件后,再開啟新建水閘。旗嶺水閘擴(kuò)建后,共22孔,單孔凈寬6.00 m,總凈寬132.00 m,閘頂高程18.244 m,上設(shè)2.70m寬人行橋。

4 閘門調(diào)度原則

考慮加固段采用二級(jí)消力池消能,新建段采用一級(jí)消力池,確定閘門調(diào)度原則如下:

(1)閘前水位保持在11.244m,全閘閘門關(guān)閉。

(2)當(dāng)閘前水位高于 11.244 m,來水流量 Q來≤300 m3/s,加固段閘門部分開啟,調(diào)節(jié)下泄流量使閘前水位保持為11.244 m不變。

(3)當(dāng)閘前水位高于11.244 m,300 m3/s＜Q來≤1 000 m3/s,新建段分級(jí)開啟14號(hào)～22號(hào)孔至開度0.90 m,然后按照先中孔后邊孔的原則,1號(hào)～22號(hào)孔同時(shí)開啟直至全開。

(4)當(dāng)上游來水量Q來＞1 000 m3/s時(shí),攔河水閘閘門按操作規(guī)程分檔全部開啟到頂,恢復(fù)天然河道行洪條件,洪峰過后再逐漸關(guān)閉閘門蓄水到正常蓄水位11.244 m。

表2 水閘閘門控制運(yùn)用方式表

5 消能計(jì)算方法及成果

本工程水閘在渲泄設(shè)計(jì)洪水時(shí),上下游落差很小,過閘水流呈緩流狀態(tài),該情況不是消能設(shè)計(jì)的控制工況。本工程的消能設(shè)計(jì)控制工況是保持閘上游為正常蓄水位11.244m的情況下,渲泄上游多余的來水量。這時(shí)使用閘門控制泄水量,相應(yīng)的下游水位應(yīng)根據(jù)下游河道的水位流量關(guān)系曲線確定。

按照所擬定的攔河水閘消能方式為底流式消能,要求過閘水流在消力池內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的水躍,消能計(jì)算采用電算程序進(jìn)行。閘門開啟按照前述的原則,每檔高度0.30 m。以一級(jí)消力池出池水深及下游水位進(jìn)行二級(jí)消力池消能計(jì)算,采用規(guī)范推薦公式計(jì)算hc和hc″,再通過試算求得二級(jí)消力池深度及長(zhǎng)度。

消能防沖復(fù)核計(jì)算采用SL 265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]附錄B的有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。不同工況下水閘的消能防沖計(jì)算成果見表3和表4。根據(jù)計(jì)算成果,二級(jí)消力池池底高程采用3.30 m,池長(zhǎng)為31.50 m,尾坎高0.80 m。

海漫起到調(diào)整出池水流垂直流速分布及平面擴(kuò)散的作用,消減出池水流的有害余能,避免消力池后出現(xiàn)危險(xiǎn)沖坑。海漫長(zhǎng)度根據(jù)各種工況采用SL 265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B中(B.2.1)進(jìn)行試算,經(jīng)計(jì)算后并考慮河床下切影響,海漫設(shè)置長(zhǎng)度40.00m,按1∶20向下游側(cè)傾斜,海漫前10.00 m為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),后30.00 m采用厚0.5 m的金屬網(wǎng)箱裝120～250 mm粒徑塊石填筑,抗沖流速可達(dá)6 m/s。河床沖刷深度根據(jù)SL 265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B中 (B.3.1)計(jì)算可達(dá)6.00 m,如作為下游防沖槽深度,既不經(jīng)濟(jì)、施工也困難。參照同類工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合地形條件,設(shè)計(jì)取下游防沖槽深度1.80～2.80 m,采用拋石擠密方式填筑形成防沖槽。

6 結(jié) 語

本文詳細(xì)的闡述了旗嶺水閘加固擴(kuò)建工程消能方案的設(shè)計(jì)過程,并根據(jù)水閘閘門的調(diào)度原則相應(yīng)介紹了水閘二級(jí)消能的計(jì)算方法,通過對(duì)旗嶺水閘加固擴(kuò)建工程消能方案進(jìn)行比選及探討,改善了水閘的消能效果,節(jié)省了工程投資,達(dá)到了優(yōu)化工程設(shè)計(jì)以及為相關(guān)設(shè)計(jì)積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的目的。

[1]董良山.李賢鋒.許志亮,等.東莞旗嶺水閘加固擴(kuò)建工程初步設(shè)計(jì)[R].廣州:廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2013.

[2]陳登毅,張平易.許宗喜.SL 265—2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2001.