水力自控翻板閘壩消能防沖分析

何麗縣

(湖南省水電(閘門)建設(shè)工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

20世紀(jì)60年代初期，我國(guó)在進(jìn)行河道渠化及通航樞紐建設(shè)的過(guò)程中，發(fā)明了水力自控翻板閘壩技術(shù)。水力自控翻板閘壩技術(shù)是以水力自控翻板閘門為核心內(nèi)容的成套技術(shù)。

經(jīng)過(guò)40多年的實(shí)踐，水力自控翻板閘壩技術(shù)已非常成熟，并變得更科學(xué)、更經(jīng)濟(jì)和更符合工程安全需要，廣泛應(yīng)用于水利水電、城市景觀蓄水、河道整治、水庫(kù)溢洪道等項(xiàng)目上。水力自控翻板閘門由60年代的非漸開型水力自控翻板閘門發(fā)展至漸開型水力自控翻板閘門。其中，漸開型水力自控翻板閘門又分為曲線鉸式、無(wú)限鉸式、滾輪連桿式、雙支點(diǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)式、曲線漸開式與滑塊式等。目前應(yīng)用最廣泛的水力自控翻板閘門型式為漸開型滾輪連桿式。為提高閘門運(yùn)行的穩(wěn)定性和降低啟門水頭，常常將此閘門面板傾斜一定角度，因而將其命名為有預(yù)傾角的滾輪連桿式水力自控翻板閘門。

當(dāng)洪水到來(lái)時(shí)，閘門能夠自動(dòng)逐漸開啟泄流。隨著上游來(lái)水量增加，閘門會(huì)準(zhǔn)確及時(shí)地自動(dòng)加大開度；隨著上游來(lái)水量減小，閘門會(huì)準(zhǔn)確及時(shí)地自動(dòng)減小開度，使之在洪水過(guò)程結(jié)束時(shí)能回關(guān)至全關(guān)狀態(tài)。水力自控翻板閘門具有不需啟閉設(shè)備，不需人工操作，完全由水流自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)。

由于洪水往往挾帶大量的垃圾、枯樹枝等雜物，行洪期間，有時(shí)會(huì)有雜物卡阻在閘門的門底或兩扇閘門之間，影響閘門自動(dòng)啟閉過(guò)程；或因管理需要從而人工開啟個(gè)別閘門，這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致過(guò)閘水流集中通過(guò)個(gè)別閘門的現(xiàn)象。因此，充分考慮各種過(guò)閘泄流條件，特別是過(guò)閘流量集中的工況，進(jìn)而合理設(shè)計(jì)消能工，對(duì)于保障行洪安全具有十分重要的意義。

1 工程概況

陜西省漢中市漢江中心城區(qū)水力自控翻板閘壩工程位于陜西省漢中市中心城區(qū)的漢江主河道上，是漢中市“一江兩岸西會(huì)客廳”規(guī)劃的重要組成部分，工程任務(wù)是保護(hù)和改善水環(huán)境。

漢江通稱漢水，是長(zhǎng)江較大的一級(jí)支流，發(fā)源于陜西省寧強(qiáng)縣境內(nèi)的潘塚山。漢江總流域面積15.9萬(wàn)km2，多年平均徑流量539.3億m3，河道全長(zhǎng)1577km。本工程閘址以上流域面積為8646km2，閘址處多年平均流量為96m3/s，閘址處多年平均徑流量為30.3億m3。閘址處不同頻率的洪峰流量計(jì)算成果見表1。

表1 閘址處不同頻率洪峰流量計(jì)算成果

該閘壩閘址處斷面寬度為711.58m(兩岸堤腳距離)，該斷面為復(fù)式斷面，其中，閘壩段寬度(護(hù)灘親水平臺(tái)間距)為530.20m；在主河槽內(nèi)呈“一”字型布置75扇3.00m×7.00m(高×寬)水力自控翻板閘門，分為5孔(每孔15扇)，溢流凈寬525.00m。

該閘壩工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型。其建筑物等級(jí)為：主要建筑物2級(jí)，次要建筑物3級(jí)，臨時(shí)性建筑物4級(jí)。其永久性水工建筑物主要由水力自控翻板閘門、閘室底板、導(dǎo)流墻、工作橋、鋪蓋、翼墻、護(hù)坦、海漫、防沖槽等組成。

河道行洪時(shí)，在同一斷面上的閘門基本同步啟閉，過(guò)閘流量均布，不改變天然河道流量的分布。閘門開啟后，門頂、門底同時(shí)過(guò)流，門頂溢流能使漂浮物順利過(guò)閘。隨開度增大，門底水流由射流變?yōu)榭卓诔隽?，便于推移質(zhì)過(guò)閘，有利于天然河流的泥沙輸送。

經(jīng)綜合分析確定，該水力自控翻板閘壩工程設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為50年一遇，相應(yīng)洪峰流量Q50=10100m3/s；校核洪水重現(xiàn)期為100年一遇，相應(yīng)洪峰流量Q100=11600m3/s。

2 消能防沖設(shè)計(jì)

工程屬于低水頭攔河閘，采用底流式消能，消能防沖建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為50年。根據(jù)水力自控翻板閘門的運(yùn)行特點(diǎn)，并充分考慮水力自控翻板閘門在泄洪運(yùn)行過(guò)程中的情況，其消能工設(shè)計(jì)按洪水過(guò)閘斷面流量均布和流量集中分為一般工況和特殊工況分別計(jì)算，按其最不利工況設(shè)計(jì)消能工，取最不利工況對(duì)應(yīng)的流量作為確定消力池深度的設(shè)計(jì)流量。

2.1 一般工況(過(guò)閘單寬流量均布)

2.1.1消力池池深計(jì)算

(1)

(2)

(3)

(4)

經(jīng)分析計(jì)算得出，翻板閘門啟門過(guò)程中，當(dāng)開度為31.3度時(shí)需要的池深最大為0.7m。

2.1.2消力池池長(zhǎng)計(jì)算

Lsj=Ls+βLj

(5)

(6)

式中，Lsj—消力池長(zhǎng)度，m；Ls—消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度，m；β—水躍長(zhǎng)度校正參數(shù)，可采用0.7～0.8，取β=0.8；Lj—水躍長(zhǎng)度，m。

經(jīng)分析計(jì)算各級(jí)過(guò)閘流量對(duì)應(yīng)的池長(zhǎng)，最不利情況下所需最小池長(zhǎng)為8.54m。

2.1.3消力池厚度設(shè)計(jì)

按抗沖要求計(jì)算消力池底板厚度，計(jì)算公式為

抗沖：

(7)

(8)

式中，ΔH′—上、下游水頭差，m；k1—消力池底板計(jì)算系數(shù)，變化范圍為0.15～0.20，取0.18；k2—消力池底板安全系數(shù)，可采用1.1～1.3，取1.2；U—作用在消力池底板底現(xiàn)的揚(yáng)壓力，kPa；γ—水的重力密度，KN/m3；hd—消力池內(nèi)水深，m；Pm—作用在消力底板上的脈動(dòng)壓力，kPa；γb—消力池底板的飽和容重，KN/m3；

因經(jīng)過(guò)翻板閘門面板上與面板下的兩股水舌存在流速差，會(huì)合時(shí)發(fā)生碰撞，繼而產(chǎn)生剪切流，這一過(guò)程將消除一部分能量，故k1可取為0.18。

經(jīng)分析計(jì)算，在不同級(jí)別過(guò)閘流量下其抗沖要求最大底板厚為0.62m，其抗浮要求最大底板厚為0.36m。按規(guī)范相關(guān)規(guī)定，取兩者的最大值作為計(jì)算依據(jù)。

借鑒國(guó)內(nèi)大中型水閘工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，底板厚度一般為0.5～1.0m。因此，取消力池前半段厚度1.0m，后半段厚度0.70m為消力池底板厚度。

2.1.4海漫長(zhǎng)度計(jì)算

過(guò)閘水流經(jīng)過(guò)消力池消能后，一般能消除40%～70%的能量，但仍有一定的剩余動(dòng)能，并且底部流速較大，對(duì)河床仍有較強(qiáng)的沖刷能力。所以設(shè)置海漫作護(hù)底，避免引起沖刷。

海漫長(zhǎng)度計(jì)算采用南京水利科學(xué)研究院提出的經(jīng)驗(yàn)公式：

(9)

式中，LP—為海漫長(zhǎng)度，m；qs—消力池末端各級(jí)單寬流量，m3/s/m；Ks—海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)，取10；ΔH’—閘孔泄水時(shí)的上、下游水位差，m。

2.2 特殊工況一(翻板閘門單扇開啟)

當(dāng)因管理需要人工開啟單扇閘門，或洪水消退過(guò)程中被河道雜物卡住導(dǎo)致其中一扇翻板閘門無(wú)法及時(shí)回關(guān)時(shí)，假設(shè)為特殊工況一。在該特殊工況下，過(guò)閘流量集中，而下游水位已經(jīng)消退(或枯水期下游水位很低)，閘孔處水頭差增大，對(duì)河床及消能設(shè)施的破壞性大。

消能計(jì)算公式和計(jì)算方法同一般工況，根據(jù)翻板閘門單孔從開啟至全開過(guò)程和卡阻時(shí)可能出現(xiàn)的各級(jí)別過(guò)閘流量，分別進(jìn)行分析計(jì)算，分析結(jié)果見表2。

表2 單扇閘門泄流消力池計(jì)算成果表

由表2可知，閘門開啟45°時(shí)消能相應(yīng)需要的池深最大，消力池長(zhǎng)度不小于22.40m；在不同級(jí)別過(guò)閘流量下其抗沖要求最大底板厚為0.73m，其抗浮要求最大底板厚為0.88m，按規(guī)范相關(guān)規(guī)定，取兩者的最大值作為計(jì)算依據(jù)。

經(jīng)分析計(jì)算，海漫最小長(zhǎng)度Lp=28.90m。

2.3 特殊工況二(翻板閘門多扇開啟)

當(dāng)因管理需要同時(shí)人工開啟多扇閘門，或洪水消退過(guò)程中被河道雜物卡住導(dǎo)致多扇翻板閘門無(wú)法及時(shí)回關(guān)時(shí)，假設(shè)為特殊工況二。在特殊工況下，過(guò)閘流量集中，而下游水位已經(jīng)消退(或枯水期下游水位很低)，閘孔處水頭差增大，對(duì)河床及消能設(shè)施的破壞性大。

消能計(jì)算公式和計(jì)算方法同一般工況，經(jīng)對(duì)同一斷面上的閘門每間隔一扇開啟一扇、每隔兩扇開啟一扇、兩側(cè)孔和中間各開一扇(即同時(shí)開3扇)等組合方案，經(jīng)對(duì)比分析后，本文僅列出最為不利的兩側(cè)孔和中間各開一扇的組合方案。分析結(jié)果見表3。

由表3可知，閘門開啟65度時(shí)消能相應(yīng)需要的池深最大，消力池長(zhǎng)度不小于20.48m；在不同級(jí)別過(guò)閘流量下其抗沖要求最大底板厚為0.71m，其抗浮要求最大底板厚為0.51m，按規(guī)范相關(guān)規(guī)定，取兩者的最大值作為計(jì)算依據(jù)。

表3 單扇閘門泄流消力池計(jì)算成果表

經(jīng)分析計(jì)算，海漫最小長(zhǎng)度Lp=23.75m。

通過(guò)對(duì)一般工況和兩種特殊工況消能分析可知，本工程在一般工況下單寬流量均布，所需消能工較特殊工況小。綜合兩種工況，工程消能工設(shè)計(jì)：消力池深取1.70m，池長(zhǎng)取24.80m，海漫長(zhǎng)取30m。

3 結(jié)論與建議

工程于2014年7月1日建成投入使用，歷經(jīng)了大小洪水的考驗(yàn)，閘門運(yùn)轉(zhuǎn)良好，消能工完好。這說(shuō)明，設(shè)計(jì)中針對(duì)水力自控翻板閘壩運(yùn)行中可能出現(xiàn)的不利情況，充分考慮不同工況所需消能工是十分重要的。

水力自控翻板閘壩技術(shù)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，具有運(yùn)行管理方便，不需人力，不需外加能源，有利于安全泄洪、排漂、排沙等優(yōu)點(diǎn)，并在全國(guó)23個(gè)省(市、自治區(qū))的水利水電、城市景觀蓄水、河道整治、水庫(kù)溢洪道等類型的1500多個(gè)工程項(xiàng)目上得到成功應(yīng)用。

在水力自控翻板閘壩設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮各種工況下的泄流狀況對(duì)消能防沖設(shè)施及下游河床、護(hù)岸的影響。特別是閘門因各種情況導(dǎo)致部分開啟甚至單扇開啟時(shí)，流量較為集中，水流動(dòng)能最大，紊動(dòng)最強(qiáng)烈，對(duì)此應(yīng)予以充分的重視，盡量在設(shè)計(jì)中留出足夠的安全裕度，論證最不利過(guò)流狀況下的消力池深及消力池長(zhǎng)度。對(duì)于大中型水力自控翻板閘壩，必要時(shí)可假設(shè)不同的閘門開啟組合，進(jìn)一步計(jì)算復(fù)核，或加做水工模型實(shí)驗(yàn)確定消能工布置狀況。對(duì)于個(gè)別河道，特別是多沙河道，可加裝液壓輔控裝置。

主管單位要加強(qiáng)水力自控翻板閘壩的庫(kù)區(qū)管理，落實(shí)河長(zhǎng)制的具體要求，加強(qiáng)河道治理，及時(shí)清理河道障礙物及漂浮物，做好閘門啟閉受阻的解決預(yù)案。汛期要加強(qiáng)值班，做好對(duì)水力自控翻板閘壩的巡邏工作，及時(shí)清理可能造成閘壩破壞的障礙物。