東山攔河閘下游消能工加固改造研究

黃智敏，陸漢柱，付　波，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)

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東山攔河閘下游消能工加固改造研究

黃智敏，陸漢柱，付波，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)

摘要：東山水利樞紐攔河閘下游消力池遭受破壞，且下游河道河床下切、水位明顯降低，嚴(yán)重影響工程的安全運(yùn)行。為了解決工程存在的問(wèn)題，擬在已破壞的消力池改造的基礎(chǔ)上，在其下游修建二級(jí)消力池。根據(jù)攔河閘加固改造工程設(shè)計(jì)的閘址下游河道水位與流量關(guān)系資料，對(duì)攔河閘加固改造的下游兩級(jí)消力池體型和消能特性進(jìn)行分析和水力計(jì)算，提出了消力池的布置方案。研究提出的加固改造兩級(jí)消力池方案經(jīng)水力模型試驗(yàn)驗(yàn)證是合理的，其成果可供類(lèi)似工程設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：攔河閘；消力池；改造；消能

1　工程概況

東山水利樞紐工程為Ⅰ級(jí)大(1)型工程，工程位于廣東省豐順縣境內(nèi)的韓江干流上，是一座具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水和灌溉等綜合效益的樞紐工程。

東山水利樞紐工程現(xiàn)布置19孔攔河水閘，單孔閘凈寬14 m，中墩和縫墩厚各為2.5 m和3 m，閘室泄水總凈寬為266 m、總寬度為318.5 m。水閘溢流堰型為平底寬頂堰，堰頂高程為15.5 m(珠基高程，下同)，閘室堰板末端以1∶4的斜坡段與下游消力池連接；消力池池底高程為12.5 m，水平段池長(zhǎng)26 m，池深1.5 m，池末尾坎頂高程14.0 m；消力池尾坎末端接15 m長(zhǎng)水平海漫段后，再接坡度為1∶15的斜坡海漫段，斜坡海漫段末端接防沖槽(見(jiàn)圖1)。

圖1東山水閘下游消能工現(xiàn)狀布置剖面圖(單位：m)

根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料，樞紐壩址控制集水面積27 502 km2，樞紐工程正常蓄水位為25.5 m，設(shè)計(jì)洪水頻率為50 a一遇(P=2%)，相應(yīng)泄洪流量Q=15 431 m3/s；校核洪水頻率為200 a一遇(P=0.5%)，相應(yīng)泄洪流量Q=18 807 m3/s。

東山攔河閘于2008年7月建成投入運(yùn)行。2013年4月底，攔河閘開(kāi)閘泄洪期間，其4#～13#閘孔的閘室下游斜坡段和消力池產(chǎn)生不同程度的破壞，斜坡段和消力池底板開(kāi)裂、不均勻沉降、錯(cuò)縫上突等，嚴(yán)重影響工程的安全運(yùn)行，其原因初步分析為攔河閘閘室上游防滲設(shè)施部分失效、閘室下游消力池底板部分排水孔堵塞等，后經(jīng)初步加固處理。

為了確保東山攔河閘下游消能工安全運(yùn)行，需對(duì)攔河閘下游消能工進(jìn)行加固改造。本文根據(jù)工程設(shè)計(jì)提供的閘址水位～流量關(guān)系，對(duì)東山攔河閘加固改造工程下游兩級(jí)消力池體型和消能進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)論證，供類(lèi)似工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行參考。

2　閘址水文條件選取

近年來(lái)，由于東山攔河閘下游河道人為無(wú)序采沙現(xiàn)象較為嚴(yán)重，導(dǎo)致閘下游河道河床下切、水位降低較明顯。根據(jù)近期的實(shí)測(cè)資料和分析，在中小洪水流量泄流運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)狀的水閘下游河道水位比2005年的東山攔河閘可行性研究階段的閘址下游河道水位相應(yīng)降低約1 m。因此，在本次加固改造工程設(shè)計(jì)中，綜合考慮現(xiàn)狀的閘址下游水位與流量關(guān)系、未來(lái)的河床下切和水位下降的可能性等，將東山攔河閘可行性研究階段(2005年)的閘址下游河道水位～流量關(guān)系下降約1 m～3 m考慮(見(jiàn)圖2)。

圖2東山水閘加固工程閘址Z—Q關(guān)系曲線

3　攔河閘下游消能工加固改造思路和布置

(1)加固工程擬對(duì)水閘中間的4#～12#閘孔下游消能工進(jìn)行加固改造，其兩側(cè)以導(dǎo)墻與左、右兩端閘孔下游消能工分隔。工程運(yùn)行中，先開(kāi)啟加固工程的4#～12#閘孔泄流運(yùn)行，待閘下游水位上升之后，再開(kāi)啟其余兩側(cè)的10孔閘泄洪運(yùn)行。

(2)在加固改造的9孔閘下游消力池底扳(高程12.5 m)上澆筑一層鋼筋混凝土進(jìn)行加固，然后將消力池末端尾坎適當(dāng)加高，形成一級(jí)消力池。

(3)在加固改造的9孔閘一級(jí)消力池下游修建二級(jí)消力池，進(jìn)一步消除一級(jí)消力池出流的能量，以確保工程運(yùn)行的安全。

4　一級(jí)消力池加固改造布置和計(jì)算

4.1消力池底板加固改造

經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析，在現(xiàn)狀消力池底扳(高程12.5 m)上澆筑一層厚0.8 m鋼筋混凝土進(jìn)行加固，加固改造后消力池池底高程為13.3 m，消力池底板上游端以1∶5.91的斜坡段與閘室堰板下游末端連接(見(jiàn)圖3)。

圖3東山水閘加固工程下游兩級(jí)消力池布置示意圖(單位：m)

4.2消力池尾坎高度T和池長(zhǎng)L確定

水閘下游河道水位降低之后，在閘上游為正常蓄水位、閘門(mén)局部開(kāi)啟控泄運(yùn)行時(shí)，一級(jí)消力池尾坎出流多為自由出流。根據(jù)文獻(xiàn)[1]等試驗(yàn)成果，一級(jí)消力池布置要求為：池末端尾坎前緣水深(T+h)應(yīng)略大于躍后水深h2，若(T+h)/h2=1.1～1.2，則水平段池長(zhǎng)L與水躍長(zhǎng)度Lj之比L/Lj=1～0.95 ；若(T+h)/h2=1.2～1.3 ，則水平段池長(zhǎng)L可縮短為約(0.95～0.85)Lj(見(jiàn)圖4)。

圖4一級(jí)消力池體型和水力參數(shù)示意圖

通常，一級(jí)消力池尾坎高度T和池長(zhǎng)L隨水閘泄洪流量增大而增加，當(dāng)東山水閘19孔閘閘門(mén)全開(kāi)泄洪時(shí)(Q≥4 200 m3/s)，水閘上、下游水位差ΔZ較小(ΔZ<0.35 m)，一級(jí)消力池內(nèi)無(wú)明顯的水躍，水流為波狀流流態(tài)，因此，一級(jí)消力池尾坎高度T和池長(zhǎng)L應(yīng)由水閘上游水位為正常蓄水位、閘門(mén)局部開(kāi)啟運(yùn)行的最不利工況來(lái)確定。本文以東山水閘上游水位25.5 m(正常蓄水位)、閘門(mén)局部開(kāi)啟最大開(kāi)度e=2.0 m的加固工程9孔閘泄流運(yùn)行條件，計(jì)算一級(jí)消力池尾坎高度T和水平段池長(zhǎng)L(見(jiàn)表1)。由表1可見(jiàn)，取消力池尾坎高度T=2.2 m，計(jì)算得尾坎頂水深h=4 m，則有(T+h)=1.07h2。

表1　加固工程一級(jí)消力池尾坎高度T計(jì)算

由有關(guān)文獻(xiàn)[2-4]，可計(jì)算水躍躍長(zhǎng)Lj=6.9(h2-h1)=33.7 m。由于已有(T+h)=1.07h2，可取一級(jí)消力池水平段池長(zhǎng)L=Lj=33.7 m；為了縮短一級(jí)消力池池長(zhǎng)，在池內(nèi)沒(méi)置一排消力墩(墩高2.3 m、墩寬和墩間距均為2 m)，將消力池水平段長(zhǎng)度L減短為24 m(24/33.7=0.712)。因此，將現(xiàn)狀一級(jí)消力池末尾坎頂加高至15.5 m高程(尾坎頂厚度取3 m)，其下游以1∶3坡度斜坡段與二級(jí)消力池連接(見(jiàn)圖3)。

5　二級(jí)消力池布置和計(jì)算

5.1消力池末尾坎頂高程確定

首先，根據(jù)水閘閘址下游水位與流量關(guān)系，在滿(mǎn)足二級(jí)消力池出流與下游河道水流為緩流銜接和出池流速限值的條件下，先初擬二級(jí)消力池末端尾坎頂高程，然后再計(jì)算出二級(jí)消力池池深和池長(zhǎng)[5-7]。

由于小流量相應(yīng)的攔河閘下游河道水位較低，且下游河道水位隨泄流量的增加上升較快，為了確保二級(jí)消力池出流與下游河道水流為緩流銜接，以攔河閘上游正常蓄水位25.5 m、加固工程9孔閘的第1檔閘門(mén)開(kāi)度e=0.25 m初始泄流條件(消力池單寬流量q=2.05 m3/s·m、閘下游初始水位Z=12.2 m)，初擬二級(jí)消力池尾坎頂高程為11.2 m，則可計(jì)算出二級(jí)池尾坎頂水深t=1.0 m、尾坎頂斷面平均流速V=2.05 m/s、尾坎出流佛勞德數(shù)Fr=0.65；其余各級(jí)閘門(mén)開(kāi)度e運(yùn)行的二級(jí)消力池出流與下游河道水流銜接均為緩流銜接。

5.2消力池池深和池長(zhǎng)確定

根據(jù)水閘運(yùn)行不同泄洪流量的組合，計(jì)算出各運(yùn)行組次的消力池池深，選其最大值Sm為池深[8-14]。本文以加固工程9孔閘在閘上游正常蓄水位25.5 m、不同閘門(mén)開(kāi)度e泄流運(yùn)行的工況，計(jì)算二級(jí)消力池的池深和池長(zhǎng)，計(jì)算方法為：① 以一級(jí)消力池尾坎高度T=2.2 m，計(jì)算其尾坎頂全水頭h0，然后計(jì)算出二級(jí)消力池底的總水頭E1；② 由消力池有關(guān)的水力計(jì)算公式[2-4]，計(jì)算出消力池池深S和池長(zhǎng)L。

由表2可見(jiàn)，在加固改造工程9孔閘閘門(mén)開(kāi)度e=0.25 m初始泄流運(yùn)行工況下(閘下游水位Z=12.2 m)，計(jì)算的二級(jí)消力池池深最大值Sm=0.92 m。經(jīng)綜合分析消力池運(yùn)行水力條件、工程施工和投資等，二級(jí)消力池池深選用為0.8 m，池底板高程為10.4 m(見(jiàn)圖3)。

表2　加固工程二級(jí)消力池池深S值計(jì)算

注：水躍淹沒(méi)度σ取1.05；在e=2.0 m的組次計(jì)算中，取池底高程10.4 m。

在攔河閘全部19孔閘閘門(mén)全開(kāi)泄流運(yùn)行時(shí)(Q≥4 200 m3/s)，水閘上、下游水位差較小，二級(jí)消力池的水流基本恢復(fù)天然河道流態(tài)，因此，可采用加固改造工程9孔閘閘門(mén)局部開(kāi)啟控泄的最大閘門(mén)開(kāi)度e=2.0 m(閘上游水位為25.5 m)泄流工況，計(jì)算二級(jí)消力池水平段池長(zhǎng)。由表2可計(jì)算出二級(jí)消力池水躍躍長(zhǎng)Lj=28.64 m，可取其水平段池長(zhǎng)L=0.7Lj=20.05 m(實(shí)際選用池長(zhǎng)20 m，見(jiàn)圖3)。

6　水力模型試驗(yàn)論證

對(duì)圖3的東山攔河閘加固改造工程(4#～13#閘孔)下游消能工布置進(jìn)行水力模型試驗(yàn)[15]，驗(yàn)證了本文計(jì)算擬定的攔河閘加固改造工程下游兩級(jí)消力池布置和體型是合理的。試驗(yàn)表明：

(1)在4#～13#閘孔閘門(mén)局部開(kāi)啟的各級(jí)閘門(mén)開(kāi)度e(e=0.25 m～2.0 m，閘上游水位25.5 m)泄流運(yùn)行條件下，水閘泄流在其下游兩級(jí)消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的水躍，池內(nèi)水流消能較充分，二級(jí)消力池出流較平順與下游河道水流銜接。

(2)為了優(yōu)化攔河閘各閘孔的調(diào)度運(yùn)行、確保攔河閘樞紐工程的安全，當(dāng)4#～13#閘孔閘門(mén)開(kāi)度e=0.75 m泄流運(yùn)行穩(wěn)定之后，閘下游河道水位約15.4 m，若閘上游河道洪水流量繼續(xù)增加，此時(shí)可將兩側(cè)10孔閘閘門(mén)開(kāi)啟至第一檔開(kāi)度e=0.25 m運(yùn)行，然后交錯(cuò)先開(kāi)啟4#～13#閘孔、后開(kāi)啟兩側(cè)10孔閘運(yùn)行(每一級(jí)閘門(mén)開(kāi)度間距Δe=0.25 m)，直至將19孔閘閘門(mén)開(kāi)度全部開(kāi)啟至e=2.0 m(Q=4 203 m3/s)運(yùn)行；然后再將19孔閘閘門(mén)逐漸全開(kāi)泄流運(yùn)行。

7　結(jié)　語(yǔ)

東山攔河閘下游消力池運(yùn)行遭受破壞及下游河床下切、水位明顯降低之后，迫切需進(jìn)行加固改造，加固改造比選方案之一是在現(xiàn)狀消力池加固改造基礎(chǔ)上，在其下游修建二級(jí)消力池。本文根據(jù)攔河閘加固改造設(shè)計(jì)的閘址下游河道水位與流量關(guān)系資料，對(duì)攔河閘下游兩級(jí)消力池的體型和消能進(jìn)行分析和計(jì)算，初擬出下游兩級(jí)消力池的布置和體型，并經(jīng)水力模型試驗(yàn)證明是合理的。本文成果可供類(lèi)似工程建設(shè)參考。

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StudyontheRebuildingofDongshanBarrageDownstreamEnergyDissipator

HUANG Zhi-min，LU Han-zhu,FU Bo,ZHONG Yong-ming

(GuangdongKeyLaboratoryofHydrodynamics,GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Guangzhou,Guangdong510635,China)

Abstract：Owing to the damage of the downstream stilling basin of Dongshan water control project barrage,the riverbed entrenchment，and the significant degradation of the downstream river water-level,the safe operation of the project is affected seriously.In order to solve these engineering problems,on the basis of the transformation of the damaged stilling basin,a secondary stilling basin was built at its downstream.Based on the data of the relationship between the downstream river water-level of the barrage site and discharge capacity of the project design,the configuration and energy dissipation characteristics of two stage stilling basins in the rebuilding design were analyzed and calculated hydrodynamically,moreover the arrangement scheme of the stilling basins was put forward.The rationality of the two stage stilling basin scheme was verified through hydraulic model tests.The study result will provide references for similar engineering designs.

Keywords：barrage;stilling basin;transformation;energy dissipation

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.034

中圖分類(lèi)號(hào)：TV653+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0168—04

作者簡(jiǎn)介：黃智敏(1957—)，男，廣東惠州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水工水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究工作。

收稿日期：2014-08-11修稿日期：2014-09-09