攔河閘調(diào)度方式對消能設(shè)施尺寸影響的探析

李國臺

(福建億水工程勘察設(shè)計有限公司，福建 龍巖 364000)

1 前言

運(yùn)用要求不同，水閘的上下游水位、過閘流量和泄流方式多變，閘門開啟孔數(shù)、開啟高度等開啟程序組合復(fù)雜。閘下消能設(shè)施必須滿足各種水力條件出現(xiàn)時都能滿足消能防沖的要求。合理確定消能設(shè)施類型和尺寸能保證消能工安全可靠的運(yùn)行[1]。

目前，水閘常規(guī)調(diào)度方式主要依靠經(jīng)驗(yàn)確定，對于設(shè)計院中大部分設(shè)計工作者而言，這種設(shè)計經(jīng)驗(yàn)并不是人人具備；精確調(diào)度主要依靠物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型研究確定，對人力、物力和財力要求均較高，一般攔河閘不具備這種條件[2-3]。消能設(shè)施尺寸計算涉及到迭代和試算的過程，合理的起算數(shù)據(jù)，能大大減少迭代步數(shù)，提高試算效率。

本文以長汀三洲攔河閘設(shè)計為例，進(jìn)行水閘調(diào)度對消能設(shè)施尺寸設(shè)計和起算數(shù)據(jù)選擇的影響研究，以期提出適合此類攔河閘的調(diào)度設(shè)計和消能設(shè)施尺寸設(shè)計。

2 工程概況

擬在汀江三洲河段建設(shè)一座攔河閘，作為長汀三洲水土流失治理和生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū)，閘址位于南山河與汀江匯合口下游約270 m處，控制流域面積1330 km2,主河道長126 km，河道平均坡降1.89‰。

本工程樞紐從左岸至右岸的布置依次為：擋水壩段、閘壩段、擋水壩段，樞紐布置見圖1。閘壩段設(shè)泄洪閘10孔，每孔孔口寬10 m，總凈寬100 m。閘門擋水高度6.0 m，閘底板高程256.50 m，閘頂高程267.20 m，閘室下游設(shè)消力池和海漫。

圖1 樞紐平面布置簡圖

3 水閘調(diào)度方式

3.1 攔河閘調(diào)度與水流關(guān)系

由于攔河閘在宣泄設(shè)計及校核洪水時，閘門全部提出水面，上下游落差較小，如本文中攔河閘的設(shè)計工況和校核工況上下游水位差分別為0.32 m和0.40 m，此時，過閘水流呈緩流狀態(tài)，不是下游消能設(shè)施的控制工況。當(dāng)閘上保持最高蓄水位、下游低水位時，閘門需在各種開度下宣泄多余來水量。此時，由于下游水位較低，下泄水量對下游河床極易產(chǎn)生沖刷。蓄水期攔河閘上游多余水量具有時變性，因而下泄水量也對應(yīng)的具有時變性，消能設(shè)施需確保下泄水量在下游低水位時的各種水流銜接順暢和消能防沖安全。

此時，閘下水位采用閘門各開度時下泄流量對應(yīng)的水位，消力池出池河床高程可根據(jù)現(xiàn)河床地形確定，本次取256.20 m。

3.2 攔河閘調(diào)度原則

多孔攔河閘的閘門控制泄流時，閘門開啟組合方式多種多樣。合理閘門開啟方式應(yīng)做到：①可操作性強(qiáng)，管理方便；②較好改善閘下水流條件，減少消能設(shè)施工程量。攔河閘先啟孔主要用于宣泄上游多余來水量和小洪水；大洪水時，先啟孔用于抬高下游水位，確保后啟孔出閘水流銜接下游時產(chǎn)生淹沒式水躍，達(dá)到最優(yōu)消能防沖效果。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形、調(diào)度設(shè)備等設(shè)計多孔攔河閘閘門開啟順序、初始開度和開啟級差的組合。

水閘先啟孔孔數(shù)對閘下消能防沖設(shè)施有一定影響。先啟孔孔數(shù)過少，會造成后啟孔消力池池深增加，增加后啟孔消能防沖措施工程量；先啟孔孔數(shù)過多，也會造成工程量增加。本設(shè)計采用試算法，以閘下消能防沖設(shè)施工程量和閘下水位銜接作為主要考慮因素，結(jié)合實(shí)際設(shè)計的平面布置及水流條件，設(shè)計3號～6號閘孔為先起孔，先啟孔孔數(shù)為4孔，占總閘孔數(shù)的2/5。

隨著閘門開度增加，泄流量增大；閘下消力池深度及長度隨之增加；消力池底板降低，消力池中的流速和脈動壓力將增大；消力池底揚(yáng)壓力增大，消力池工程量增加，投資加大；因此，閘門初始開度不宜太大。文獻(xiàn)[1]指出，閘門初始開度往往是消力池深度或消能工高度的控制因素，一般取0.3 m～0.5 m；參照現(xiàn)有攔河閘工程運(yùn)行情況，本次攔河閘閘門初始開度擬定為0.5 m。

閘門開啟級差對閘下消能有一定影響。開啟級差過大，會增加閘下消能防沖工程量，級差太小，又使運(yùn)行管理復(fù)雜。開啟級差一般取閘前水頭的1/10，本次設(shè)計根據(jù)消力池池深、長度和海漫長度試算結(jié)果，確定閘門開啟級差取0.5 m。

4 消能設(shè)施尺寸

4.1 不同開度的閘孔過流能力

根據(jù)《水利計算手冊》，平底堰上閘門，當(dāng)閘門開度與堰上水頭H的比值e/H<0.65時，為閘孔出流，e/H>0.65時，為堰流；本設(shè)計閘門開度3.9 m時，e/H=0.65。單孔平底閘孔出流計算公式為：

(1)

式中:e為閘門開度，m；b為每孔凈寬，m；H0為閘前水頭；σs為淹沒系數(shù)，自由出流時σs=1；μ0為流量系數(shù)，對弧形閘門，μn=0.60-0.18。當(dāng)閘上保持正常蓄水位262.50 m時，閘門在不同開度的單孔過流能力見表1。

表1 閘門不同開度單孔過流能力

4.2 先啟孔各級開度下的消能設(shè)施尺寸

(1)消力池深度計算

根據(jù)實(shí)際情況，本次設(shè)計選用降低底板高程的消力池形式。根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2016)，消力池深度可按以下公式計算：

d=σ0hc″-hs′-ΔZ

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：d為消力池深度，m；σ0為水躍淹沒系數(shù)，可采用1.05～1.10；hc″為躍后水深，m；hc為收縮水深，m；α為水流動能校正系數(shù)，可采用1.00～1.05；q為過閘單寬流量，m2/s；b1為消力池首端寬度，m；b2為消力池末端寬度，m；T0為由消力池底板頂面算起的總勢能，m；ΔZ為出池落差，m；hs′為出池河床水深，m。

(2)消力池長度計算

消力池長度計算公式如下：

Lsj=Ls+βLj

(6)

Lj=6.9(hc″-hc)

(7)

式中：Lsj消力池長度，m；Ls為消力池斜坡段水平投影長度，m；β為水躍長度校正系數(shù)，可采用0.7～0.8；Lj為水躍長度，m。

(3)海漫長度計算

(8)

式中：Lp為海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m2/s；Ks為海漫長度計算系數(shù)，取7。

單孔先啟孔初始開度0.5 m，級差0.5 m，閘門不同開度下消力池池深、長度和海漫長度計算結(jié)果見表2。

從表2可知，閘門各開度下的閘下消力池深度，均小于閘門開啟高度0.5 m時的消力池深度；消力池長度和海漫長度隨著閘門開度增加而變長；當(dāng)閘門開度達(dá)3.5 m左右時，消力池長度達(dá)最大值。通過開啟后啟孔閘門，抬高下游水位，可適當(dāng)減小海漫工程量。經(jīng)分析，當(dāng)先啟孔閘門開度達(dá)3.90 m時，設(shè)計后啟孔閘門開啟。

根據(jù)表2水力計算成果，閘門在初始開度1.5 m時，過閘流量360 m3/s，此時池深最大，達(dá)1.0 m。對應(yīng)上游水位262.50 m(正常蓄水位)，下游最低水位257.33 m。以此作為消力池深度控制工況，進(jìn)行消力池尺寸計算，計算成果作為確定消力池尺寸設(shè)計依據(jù)。最終確定消力池采用C25埋石砼結(jié)構(gòu)，由閘后斜坡段和池身段組成。閘后斜坡段采用1∶5與池身段連接，池底面高程為255.50 m，消力池水平長度20.0 m，總長25.0 m，池深1.0 m。

表2 先啟孔各開度下水力計算成果表

基于消力池設(shè)計，進(jìn)一步計算海漫長度，海漫計算長度36.11 m，實(shí)取36.00 m。其末端河床形成的最大沖刷深度為1.24 m，因此在海漫末端設(shè)一長13.00 m、深2.30 m拋石防沖槽，確保下游河床安全。

5 結(jié)論

攔河閘的消能設(shè)施能確保閘下水流的順暢銜接和消能防沖效果最優(yōu)，從而確保攔河閘的安全運(yùn)行。本文以汀江三洲攔河閘設(shè)計為例，探討攔河閘調(diào)度方式對消能設(shè)施尺寸設(shè)計的影響，得出如下經(jīng)驗(yàn)以供參考。

(1)攔河閘消能設(shè)施尺寸設(shè)計前，需初步擬定多孔攔河閘的閘門開啟順序、初始開度和開啟級差。開啟順序不宜復(fù)雜，應(yīng)易于操作，先開啟孔一般與河道主流相對應(yīng)，先開啟孔數(shù)須確保閘下水深；需通過閘孔過流計算確定初始開度和開啟級差。

(2)一般先計算先啟孔各級開度下消能設(shè)施尺寸，分析初擬調(diào)度組合下消能設(shè)施尺寸變化規(guī)律，再以初擬條件下最大消力池水深及其對應(yīng)的過流能力和初始開度作為計算依據(jù)進(jìn)行消能設(shè)施尺寸設(shè)計。