新型消能布置形式在甌飛東2#閘中的應(yīng)用研究

屠興剛，陳衛(wèi)輝，包純毅，徐 崗

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.溫州市甌飛開發(fā)建設(shè)管理委員會，浙江 溫州 325000;3.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

1 工程概況

溫州市甌飛一期圍墾工程位于甌飛灘區(qū)域高灘區(qū)域范圍，地理位置為北緯 27°56'5″～27°40'48″，東經(jīng) 120°55'13″～120°41'6″。南、北邊界分別是飛云江及甌江河口邊界的外延線，東邊大致平行龍灣二期堤線。

工程圍涂區(qū)面積0.89萬hm2，海堤堤線總長36.66km，北堤4.30km，東堤28.85km，南堤3.51km(見圖1)。工程共布置6座水閘，均為軟基閘。其中，東2#閘布置在直面大海的東堤上，水閘中心線樁號23+700m。

圖1 工程位置示意圖

東2#閘為納排閘，設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn) (重現(xiàn)期)50a一遇，設(shè)計(jì)擋潮標(biāo)準(zhǔn) (重現(xiàn)期)50a一遇。水閘凈寬40.0m，閘底高程-3.0m，共設(shè)5孔，閘孔凈寬采用8.0m。

基礎(chǔ)處理采用真空排水預(yù)壓法結(jié)合鉆孔灌注樁，以達(dá)到控制軟土地基沉降變形的目的。

閘室全長22.0m，中墩寬度2.0m，邊墩寬度1.0m，上下游閘墩墩頭均采用流線型，閘室分為3個(gè)單元，兩側(cè)兩孔一聯(lián)，中間一孔一聯(lián)，總寬度50.0m。

閘室上設(shè)有箱型管道間，凈寬6.0m，頂面高程11.0m(胸墻頂高程11.8m)，底高程5.3m。

閘上設(shè)檢修平臺，上游檢修平臺高程5.3m，下游檢修平臺高程11.0m。

閘室兩側(cè)為C40混凝土空箱岸墻，空箱寬15.0m，長22.0m，岸墻兩側(cè)設(shè)空箱式結(jié)構(gòu)與土石海堤銜接?？障渑c堤頂同寬為8.0m，頂面高程為11.0m，與海堤堤頂7.8m高程以32.0m漸變斜坡連通。

交通橋位于圍區(qū)側(cè)，橋中心線距閘室10.3m，橋面高程為5.3m，橋面總寬10.0m，兩側(cè)與海堤4.5m高程路面銜接。

閘室岸墻兩側(cè)，設(shè)高程漸變的空箱結(jié)構(gòu)，與兩側(cè)東堤相接，空箱基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁處理。

上下游兩側(cè)采用與東堤一致的拋石斷面與海堤銜接，過水?dāng)嗝嬗删匦蛿U(kuò)大為梯形，上下游的消力池適當(dāng)擴(kuò)大面積，與兩側(cè)的合金籠網(wǎng)石兜護(hù)坡相接。閘室上下游設(shè)消力池、護(hù)底和海漫與涂面銜接。

圍區(qū)近期養(yǎng)殖常水位0.50m，近期起調(diào)水位0.50m，遠(yuǎn)期正常蓄水位2.50m;外海多年平均潮位0.29m，平均低潮位-1.87m;設(shè)計(jì)排澇洪水位3.55m，設(shè)計(jì)最大排澇流量772.0m3/s，最大單寬流量19.3m3/(s.m)，最大排澇水位差5.42m。

為驗(yàn)證新型消能布置形式對東2#閘閘下消能防沖的效果，特對東2#閘進(jìn)行了常規(guī)消能布置與新型消能布置2種不同形式的比較研究。

2 研究方法

采用正態(tài)物理模型的方法進(jìn)行研究，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，整體模型幾何比尺Lr=50。閘上河道模擬500.0m以上，閘下約300.0m，左右寬度約500.0m。其中閘室部位采用有機(jī)玻璃精制，上下游地形嚴(yán)格按設(shè)計(jì)提供的圖紙控制放樣，采用斷面板法，水泥砂漿抹面制作。并在相應(yīng)位置布置水位測針。模型設(shè)計(jì)、模型制作及安裝、試驗(yàn)測試儀器和測試方法均滿足SL 155—2012《水工常規(guī)模型試驗(yàn)規(guī)程》的要求。

3 應(yīng)用研究

3.1 常規(guī)消能布置形式水力特性

3.1.1 工程布置

閘室下游設(shè)二級消力池，一級消力池池長25.0m，池深1.5m，底板高程為-4.5m;二級消力池池長25.0m，池深1.5m，底板高程為-4.5m;二級消力池后接24.0m海漫段，海漫高程為-5.0m。防沖槽高程為-5.0m，防沖槽寬18.6m、深3.0m，前后由1∶3坡連接，采用大塊石拋填。閘室及消力池兩側(cè)岸 (翼)墻采用空箱式結(jié)構(gòu)，其余各處翼墻均采用扶壁式結(jié)構(gòu)。翼墻基礎(chǔ)采用直徑80cm的C80PHC預(yù)應(yīng)力管樁處理。工程平面布置見圖2。

3.1.2 閘下水流流態(tài)及消能情況

在消能工況下，兩級消力池內(nèi)均能形成穩(wěn)定的水躍，一級消力池躍首發(fā)生在閘墩墩尾下游4.0m(0+014m)左右，躍首斷面平均流速約為8.4m/s，F(xiàn)r=1.81。二級消力池躍首發(fā)生在樁號0+040m左右，其斷面平均流速約為5.6m/s，F(xiàn)r=1.00。由于外海潮位較低，海漫上為急流流態(tài)，海漫末端樁號0+080m斷面平均流速為9.3m/s，F(xiàn)r=2.61。其流態(tài)見圖3。

3.1.3 口門沖刷情況

由于受兩側(cè)翼墻影響，主流較為集中，在鋪設(shè)防沖槽的情況下，防沖槽受到破壞、末端出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。沖刷主要集中在閘室中心線附近，寬度約與閘室等寬，最深點(diǎn)約在中心線左右兩側(cè)20.0m、距海漫末端40.0m的位置，左側(cè)沖刷至-12.5m(沖深7.5m)、右側(cè)沖刷至-13.0m(沖深8.0m)。沖坑形態(tài)見圖4。

圖2 常規(guī)消能布置平面圖

圖3 常規(guī)消能布置形式消能流態(tài)圖

圖4 常規(guī)消能布置形式?jīng)_坑形態(tài)圖

3.2 新型消能布置形式水力特性

3.2.1 工程布置

閘室下游設(shè)二級消力池，一級消力池池長25.0m，池深1.5m，底板高程為-4.5m;二級消力池池長25.0m，池深1.5m，底板高程為-4.5m;二級消力池后接24.0m海漫段，海漫高程為-5.0m。防沖槽高程為-5.0m，防沖槽寬18.6m、深3.0m，前后由1∶3坡連接，采用大塊石拋填。上下游翼墻及基礎(chǔ)處理采用與東堤一致的拋石斷面，過水?dāng)嗝嬗删匦蛿U(kuò)大為梯形，上下游的消力池適當(dāng)擴(kuò)大面積，與兩側(cè)的合金籠網(wǎng)石兜護(hù)坡相接。閘室岸墻兩側(cè)，設(shè)高程漸變的空箱結(jié)構(gòu)，與兩側(cè)東堤相接，空箱基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁處理。平面布置見圖5。

圖5 新型消能布置平面圖

3.2.2 閘下水流流態(tài)及消能情況

在消能工況下，2級消力池內(nèi)均能形成穩(wěn)定的水躍，一級消力池躍首位置:兩邊孔在閘墩墩尾下游10.2m(0+020m)左右，中間3孔在閘墩墩尾下游8.7m(0+018.5m)左右;躍首斷面平均流速約為9.4m/s，F(xiàn)r=2.24，躍尾發(fā)生在距離閘墩墩尾約17.5m(0+027.3m)處，水流在一級消力池左右兩側(cè)圓弧與坎之間有2個(gè)較小回流區(qū);一級消力池坎后斷面平均流速約為6.2m/s，F(xiàn)r=1.17。二級消力池能夠形成完整的水躍，躍首發(fā)生在樁號0+043.8m左右，其斷面平均流速約為5.8m/s，F(xiàn)r=1.32，躍尾發(fā)生在樁號0+054.8m左右;二級消力池坎后斷面平均流速約為4.7m/s，F(xiàn)r=1.02。2級消力池總消能率為24%。由于海漫末端高程較原方案降低1.0m(-5.0m高程)，因此，外海潮位較低時(shí)水流在海漫上仍能形成水躍，水躍約發(fā)生在樁號0+079m左右，其斷面平均流速約為6.6m/s，F(xiàn)r=2.06，躍尾發(fā)生在樁號0+085.5m附近;海漫末端斷面平均流速約為3.0m/s，F(xiàn)r=0.57，至海漫末端總消能率為42%。流態(tài)見圖6。

3.2.3 口門沖刷情況

在海漫下游設(shè)防沖槽的情況下，水流在海漫上形成淹沒水躍，防沖槽基本保持完整，只在防沖槽末端兩側(cè)有小幅度塌落，總體沖刷較小，最深點(diǎn)出現(xiàn)在樁號0+105m左右，垂直閘室中心線約70.0m，沖坑最深點(diǎn)高程約-6.7m(沖深1.7m)。沖坑形態(tài)見圖7。

圖6 新型消能布置形式消能流態(tài)圖

圖7 新型消能布置形式?jīng)_坑形態(tài)圖

3.3 消能效果對比分析

常規(guī)消能布置形式的濱海水閘，其閘下破壞往往發(fā)生在較低潮位時(shí)。新型消能布置形式可以有效改善閘下低潮位時(shí)的消能防沖情況，2種布置形式在低潮位時(shí)的消能防沖效果對比見表1。

表1 消能防沖效果對比表

工程中新型消能布置形式將海漫末端高程降低，在低潮位時(shí)在海漫上產(chǎn)生水躍，改變了出閘流態(tài)，海漫末端流態(tài)由急流變成緩流，使得總體消能率大大提高。沖深也由常規(guī)消能布置的5.00m減小至1.70m，對閘下防護(hù)有利。從消能情況來看，新型消能布置優(yōu)于常規(guī)消能布置。

4 結(jié)語

甌飛一期圍墾工程東2#閘為低水頭水閘，屬于低佛氏數(shù)消能，閘下河床質(zhì)為淤泥，起動流速很低，極易被沖刷。水工模型試驗(yàn)表明，原設(shè)計(jì)方案的常規(guī)消能布置形式存在基礎(chǔ)開挖困難、堤腳盤頭沖刷嚴(yán)重、防沖槽維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。文章通過常規(guī)消能形式及新型消能形式的對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新型消能形式具有改善閘下流態(tài)、增大消能率、減輕閘下沖刷、節(jié)省工程投資等優(yōu)點(diǎn)，具有較大優(yōu)勢，對類似濱海水閘工程具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］屠興剛.溫州市甌飛一期圍墾工程東2#閘水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.杭州:浙江省水利河口研究院，2014.

［2］韓曉維.溫州市甌飛一期圍墾工程北1、北2閘水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.杭州:浙江省水利河口研究院，2014.

［3］史斌，包中進(jìn)，陸芳春.曹娥江樞紐閘下沖刷試驗(yàn)研究 ［J］.浙江水利科技，2004(6):32-34.

［4］史斌，陸芳春，包中進(jìn).感潮河口閘下軟基沖刷模擬與實(shí)踐［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2005，22(4):19-21.

［5］包中進(jìn)，陸芳春，史斌.浙江省曹娥江大閘水力特性試驗(yàn)研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2005(5):60-63.