漠陽江雙捷攔河閘重建工程消能試驗研究

黃智敏，付 波，陸漢柱，麥棟玲

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

1 工程概況

漠陽江雙捷攔河閘位于廣東省陽江市北約20km的漠陽江中下游，是一宗以灌溉供水為主，兼有防洪、航運、發(fā)電等綜合效益的大(1)型水利樞紐工程，閘址處集雨面積為4200km2。

雙捷攔河閘于1958年11月開始興建，1960年3月建成。2009年3月，經(jīng)安全鑒定評定為四類閘，需對攔河閘進行重建。重建工程攔河閘共設(shè)28孔閘，單孔閘凈寬12m，泄流總凈寬336m，攔河閘總寬度413m。設(shè)計初擬方案攔河閘因使用功能分為沖沙閘、節(jié)制閘和泄洪閘等三種閘型，各閘型從右至左分別布置2孔沖沙閘Ⅰ區(qū)、6孔泄洪閘Ⅰ區(qū)、12孔節(jié)制閘、6孔泄洪閘Ⅱ區(qū)、2孔沖沙閘Ⅱ區(qū)等。攔河閘閘室采用寬頂堰型式;閘下游消能防沖采用底流消能方式:沖沙閘和節(jié)制閘下游采用兩級消力池，泄洪閘下游采用一級消力池見圖1。

攔河閘重建工程設(shè)計正常蓄水位為6.3m(珠基，下同);設(shè)計洪水標準為50年一遇(P=2%)，泄洪流量為Q=4458m3/s;校核洪水標準為200年一遇(P=0.5%)，泄洪流量Q=5276m3/s。

為了論證雙捷攔河閘重建工程下游消能工體型和布置的合理性，開展了攔河閘水工斷面模型和攔河閘樞紐(包括攔河閘、船閘、電站等)水工整體模型試驗，兩模型均為正態(tài)模型［1］。本文介紹雙捷攔河閘泄洪消能試驗研究成果，供類似工程設(shè)計和運行參考。

圖1 雙捷攔河闡重建工程設(shè)計初擬方案平面布置示意圖

2 攔河閘運行方式

根據(jù)工程設(shè)計資料，重建工程攔河閘的運行方式為:

(1)當閘上游洪水來流量Q≤1398m3/s時，維持閘上游水位為正常蓄水位6.3m，先采用4孔沖沙閘和12孔節(jié)制閘閘門局部開啟運行;待下游河道水位上升之后，再開啟泄洪閘運行，直至攔河閘泄洪流量Q≤2540m3/s。

(2)當閘上游洪水來流量Q＞2540m3/s時，攔河閘28孔閘閘門全開運行，恢復天然河道泄洪流態(tài)，以確保工程的安全運行。

3 攔河閘下游消能工體型優(yōu)化

3.1 消能工體型優(yōu)化

參考有關(guān)的文獻和經(jīng)水工模型試驗優(yōu)化之后［1～2］，得出攔河閘各類閘孔下游消能工的體型為:

(1)沖沙閘(左、右岸各2孔)，閘室底板高程為2.96m，閘底板末端以1∶4.55坡度與下游一級消力池連接，一級消力池水平段長度為15m，水平段池底高程為0.76m，池深2.0m，池末尾坎頂高程為2.76m，池首端設(shè)置一排消力墩(消力墩高、墩寬和墩之間間距均為2.0m)，消力池末端尾坎長2.0m;一級消力池尾坎頂末端以1∶2.9坡度與下游二級消力池相接，二級消力池水平段長度為18m，池深1.5m，池首端設(shè)置一排消力墩(消力墩高、墩寬和墩之間間距均為1.6m)，池末尾坎頂高程為－1.75m，尾坎長2.0m;尾坎頂末端采用1∶22.6斜坡海漫段與防沖槽連接，防沖槽頂高程為－2.75m(見圖2)。

圖2 沖沙闡下游消能工推薦方案剖面圖(單位:m)

(2)節(jié)制閘為12孔閘，閘室底板高程為3.26m，閘底板末端以1∶4坡度與下游一級消力池連接，閘下游消能工布置與沖沙閘相同(見圖3)。

圖3 節(jié)制闡下游消能工作推薦方案剖面圖(單位:m)

(3)泄洪閘共12孔，對稱布置在節(jié)制閘孔段的兩側(cè)，閘室底板高程為3.26m，閘底板末端以1∶4坡度與一級消力池相接，一級消力池水平段長度為15m，水平段池底高程為0.76m，池深2.0m，池末尾坎頂高程為2.76m，;一級消力池尾坎頂末端以1∶1坡度與下游水平海漫段(高程0.76m)連接后，再接坡度為1∶7.67和1∶22.6兩斜坡海漫段及防沖槽(見圖4)。

3.2 試驗成果

圖4 泄洪闡下游肖能工推薦方案剖面圖(單位:m)

(1)當閘上游洪水流量Q≤1398m3/s時，維持閘上游水位為正常蓄水位6.3m、開啟4孔沖沙閘和12孔節(jié)制閘運行(閘門開度e=0.25～1.75m)，一、二級消力池內(nèi)水流形成較穩(wěn)定的強迫水躍，二級消力池出流較平順與下游河道水流銜接;測試的二級消力池尾坎和海漫段末端斷面的出流底流速分別小于2.5m/s和1.3m/s。

(2)當1398m3/s≤Q≤2540m3/s時，維持4孔沖沙閘和12孔節(jié)制閘運行(e=1.75m)，12孔泄洪閘閘門逐漸開啟運行(閘門開度e=0.25～1.0m)，泄洪閘一級消力池內(nèi)水流形成較穩(wěn)定的強迫水躍，出流經(jīng)池末尾坎下游水平海漫段和斜坡海漫段之后，較平順與下游河道水流銜接;測試的泄洪閘下游水平海漫段底流速較大值約2.5m/s，海漫段末端斷面的底流速較大值約1.2m/s。

(3)當閘上游洪水流量Q＞2540m3/s時，28孔閘閘門全開運行，閘下游水流多呈波狀流，測試的攔河閘下游海漫段末端斷面的底流速v≤1.7m/s。

因此，水工模型試驗優(yōu)化的攔河閘各類閘型下游消能工體型是合理的，試驗成果可供工程設(shè)計和運行參考。

4 攔河閘下游消能工布置比較及合理性分析

4.1 消能工布置比較和優(yōu)化

根據(jù)工程設(shè)計的要求，設(shè)計初擬方案的攔河閘各類閘型調(diào)度運行方式為:當閘上游洪水來流量Q≤1398m3/s時(相應(yīng)閘下游河道水位Z≤2.9m)，維持閘上游水位為正常蓄水位(Z0=6.3m)，先開啟4孔沖沙閘和12孔節(jié)制閘閘門局部開啟運行;待閘上游洪水來流量Q＞1398m3/s時(Z＞2.9m)，再開啟12孔泄洪閘運行，直至攔河閘泄洪流量Q=2540m3/s;當閘上游洪水來流量Q＞2540m3/s時，28孔閘閘門全開運行，以確保工程的安全運行。

設(shè)計初擬方案攔河閘運行方式的優(yōu)點是能夠合理和有序地調(diào)度各類閘孔運行，將設(shè)置有兩級消力池的沖沙閘和節(jié)制閘先開啟運行，待閘下游河道水位上升之后，才開啟泄洪閘運行，以確保攔河閘各類閘孔下游消能工的安全運行，同時簡化了泄洪閘下游消能工，大大節(jié)省了攔河閘下游消能工的投資，便于工程施工;其缺點是攔河閘必須要嚴格按照各類閘孔調(diào)度運行程序開啟，若一旦閘孔出現(xiàn)誤操作調(diào)度開啟運行(如在初始泄流時，先開啟泄洪閘閘孔運行)，則閘下游河道水位較低(閘下游河道最低水位為－1.17m)，泄洪閘消力池的下游海漫段將會遭受到嚴重的沖刷破壞，危及工程的安全運行。

此外，水工模型試驗表明，布置在左、右岸兩側(cè)的4孔沖沙閘單獨運行時(閘上游為正常蓄水位6.3m)，閘門開度e≤0.75m運行的閘上游兩岸側(cè)區(qū)域拉沙效果不明顯;當4孔沖沙閘閘門開度e≥1.0m運行時，則其下游二級消力池出池流速和海漫段流速v＞2.5m/s，易對下游海漫段產(chǎn)生沖刷破壞。

因此，經(jīng)工程設(shè)計、運行管理和水工模型試驗成果等綜合分析之后，雙捷攔河閘重建工程推薦方案布置為:1)將沖沙閘閘室堰頂高程由2.96m抬高至3.26m，其堰頂高程、閘下游消力池布置與節(jié)制閘相同;2)將泄洪閘下游一級消力池方案修改為兩級消力池方案，其下游消能工體型和布置與節(jié)制閘相同。因此，將攔河閘的沖沙閘、節(jié)制閘和泄洪閘合并統(tǒng)稱為泄洪閘，優(yōu)化后的雙捷攔河閘重建工程樞紐平面布置見圖5。28孔攔河閘孔共分為3個區(qū)段，河道中間區(qū)段布置12孔閘，其兩側(cè)分別布置8孔閘。如圖5所示。

圖5 雙捷欄河闡重建工程優(yōu)化方案平面布置示意圖

4.2 攔河閘閘孔優(yōu)化調(diào)度運行

攔河閘閘孔分為3個區(qū)段，其目的是在正常蓄水位(6.3m)條件下、便于各閘孔的開啟調(diào)度運行。水工模型試驗研究提出的攔河閘閘孔調(diào)度運行的方式為:

(1)在攔河閘初始開啟運行時，可先開啟中間12孔閘孔運行(閘門開度 e≤0.75m、Q≤504m3/s)，待泄流穩(wěn)定之后，再開啟左、右兩側(cè)各8孔閘(閘門開度e=0.25m)運行;然后按順序先開啟中間12孔閘、后開啟兩側(cè)各8孔閘(每一級增加的閘門開度△e=0.25m)逐級交替增加閘門開度泄流運行，直至28孔閘的泄洪流量Q≤2540m3/s。

(2)當攔河閘上游洪水來流量Q＞2540m3/s時，28孔攔河閘閘門全開泄洪，以確保工程的安全運行。

4.3 消能工布置合理性分析

(1)雙捷攔河閘重建工程設(shè)計初擬方案布置有沖沙閘、節(jié)制閘和泄洪閘等三種類型閘型，其作用是希望能夠通過合理和有序地調(diào)度各類閘孔運行，達到節(jié)省工程投資、便于施工和確保工程安全運行的目的。但該方案需要高素質(zhì)的管理人員和嚴格的攔河閘調(diào)度運行操作程序，否則將會造成泄洪閘消力池下游海漫段產(chǎn)生嚴重的沖刷破壞，危及工程的安全運行。

(2)雙捷攔河閘重建工程優(yōu)化方案的各類閘孔調(diào)度運行較方便，調(diào)度運行操作中造成工程出險的機率較小，但該方案工程投資相對較大，施工期較長。

因此，可在綜合分析攔河閘調(diào)度運行、管理水平、工程投資和施工等因素的基礎(chǔ)上，合理地選擇攔河閘各類閘孔的下游消能工布置方案。

5 結(jié)語

雙捷攔河閘重建工程下游消能工的布置涉及到其閘孔調(diào)度運行、管理水平、工程投資和施工等因素，因此，可在綜合分析各種因素利弊的基礎(chǔ)上，合理地選擇攔河閘各類閘孔下游消能工的布置方案。

本文介紹的雙捷攔河閘重建工程下游消能工的體型優(yōu)化和布置的試驗研究成果，可供類似工程設(shè)計和運行參考。

［1］華東水利學院.水工設(shè)計手冊(第六卷，泄水與過壩建筑物)［M］.北京:水利電力出版社，1982.

［2］廣東省水利水電科學研究院.漠陽江雙捷引水工程攔河閘重建工程水工模型試驗研究報告［R］.廣州:廣東省水利水電科學研究院，2013.