沿海擋潮閘消能設計研究

倪成，郭周杰，徐子軒

(1.廣州市水務規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510000；2.廣東粵源工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

水閘運行過程中上下游水位、過閘流量及泄流方式(如閘門的開啟程序、開啟孔數(shù)和開啟高度)等常常是復雜多變的，水閘閘下消能防沖設施必須在各種可能出現(xiàn)的水力條件下，都能滿足消散動能與均勻擴散水流的要求，且要與下游河道有良好的銜接。

目前節(jié)制閘、排澇閘、分洪閘等水閘消能計算分析研究較多，而擋潮閘消能計算的研究較少，規(guī)范中對這部分也沒有明確的規(guī)定與標準。通過工程實例來探討此項設計內(nèi)容，擋潮閘下游水位由潮水位控制，基本不受水閘下泄流量影響，無法像攔河閘通過均勻分級開啟，控制下泄流量，緩慢提高下游水位，來減小消力池的深度和尺寸，在下游潮水位較低的情況下，只能控制水閘最大開度，控制下泄流量，并復核各不利工況下消力池尺寸。

以廣州市增城區(qū)仙村水閘為例，采用規(guī)范公式，運用水力學原理，選取不同工況，對擋潮閘進行消能防沖計算和復核。

1 工程概況

1.1 水閘情況

仙村水閘位于增城市新塘鎮(zhèn)仙村圩，東江北干流仙村涌右岸，仙村河流域范圍，仙村河為東江一級支流，仙村河位于仙村鎮(zhèn)東部，東起西福河經(jīng)仙竹園涌、基裘崗涌、仙村運河、藍山涌、仙嚇涌，西南至東江北干流。仙村河現(xiàn)狀5.30 km，集雨面積11.10 km2，河道平均寬度23.25 m，平均坡降1.1×10-3。

水閘為中型水閘，工程等別為Ⅲ等,主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。水閘為仙村大圍穿堤建筑物，級別不應低于堤防級別，仙村大圍防洪標準為50年一遇，堤防級別為2級，故水閘級別提高一級，為2級建筑物。主要建筑物防洪標準：仙村水閘設計防洪(潮)標準為50年一遇，閘內(nèi)排澇標準為10年一遇24 h暴雨不成災。

閘孔總寬25.80 m，閘孔凈寬21 m，共設3孔，每孔7.00 m，閘底板高程-1.00 m，墩頂高程6.06 m。閘門為平板鋼閘門，門高5.20 m，由3臺2×12.5 t固定卷揚機開啟3扇閘門。中墩厚度為1.20 m，邊墩厚度為1.20 m。墩長15.50 m。閘墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，交通橋為鋼筋混凝土橋，橋面寬8.00 m，面板為現(xiàn)澆混凝土板，厚500.00 mm。閘室段外江、內(nèi)江側(cè)分別由16 m和10 m長的鋼筋混凝土U型槽相連接。

1.2 消能防沖布置斷面

下游連接段總長度分別為42 m。水閘下游設消力池，消力池段采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。下游消力池深度為1.00 m，池長16.00 m，底板厚度為1.00 m。下游海漫段采用漿砌石結(jié)構(gòu)，后段采用干砌石結(jié)構(gòu)。外江側(cè)海漫末端做拋石防沖槽。消能防沖布置斷面見圖1。

圖1 消能防沖布置斷面圖

2 消能防沖計算

2.1 計算方法

采用《水閘設計規(guī)范》(SL265-2016)附錄B中底流式消能設計計算公式。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2 計算工況

擋潮閘宜以蓄水期排泄上游多余來水量需用閘門控制泄水時，上下游可能出現(xiàn)較大的水位差為控制消能設計的水利條件。

目前珠三角地區(qū)洪潮遭遇組合采用內(nèi)涌設計洪水，遭遇外江多年平均高潮水位或5年一遇高潮水位，此種遭遇情況對于確定水閘寬度與過流是有利的，但對于消能防沖計算，洪峰遭遇由于下游潮位較高，下游水深較大，此時并不是消能防沖最不利的情況，因此本次計算除復核洪潮遭遇工況，還新增內(nèi)涌常水位+外江低潮位的情況，此時上下游水位差較大。

工況一：內(nèi)涌10年一遇洪峰，遭遇外江5年一遇高潮水位過程。

工況二：內(nèi)涌為常水位，外江為多年平均低潮水位。

工況三：內(nèi)涌為常水位，外江為多年平均年最低潮水位。(極端工況，此種工況遭遇可能性極低)

2.3 計算水位組合

①閘外水位。按《廣東省防洪(潮)標準和治澇標準》相關(guān)規(guī)定，本次采用內(nèi)涌10%設計洪水遭遇外江20%設計高潮水位作為起算水位，仙村河涌口對應值分別為3.84 m。②閘內(nèi)洪水過程。閘內(nèi)洪水過程采用綜合單位線法計算仙村河10年一遇設計洪水過程。③調(diào)蓄計算。在內(nèi)河涌澇水與外江潮位組合方面，根據(jù)排澇區(qū)10年一遇洪水過程的洪峰，遭遇外江5年一遇潮位過程，洪峰與潮峰同時遭遇，推求閘上設計洪水位，見表1所示。④確定水位組合。從過程表選取最大泄水流量和最大水位差2種水位組合，然后加上內(nèi)涌為常水位+外江多年平均低潮位、內(nèi)涌為常水位+外江多年平均年最低潮位2種水位組合，詳見表2所示。

表1 仙村水閘調(diào)蓄計算表

表2 計算水位組合表

2.4 水閘控制運行的判定條件和確定泄水流量

由水閘消能防沖的計算原理可知，下游河道中水流一般多為緩流，其水深一般大于臨界水深hk。而水閘的出口水流往往為急流，收縮斷面水深常小于臨界水深hk，故泄水建建筑的下游必然發(fā)生水躍。

而擋潮閘下游水位由潮水位控制，基本不受水閘下泄流量影響。當下游潮水位處于較低潮位時，如果下泄流量過大，必然造成下游水深小于臨界水深，造成下游河道水流為急流，無法進行水躍消能，從而造成高速水流直接沖刷河床，影響水閘安全。為避免此種情況，當下游水位較低時，必須控制下泄流量。

水閘控制運行的判定條件：在某水位組合下，當下游水深為臨界水深時，由臨界水深公式反推泄水流量(以下簡稱臨界流量Qk)，與水閘全開時的過流能力(以下簡稱全開流量Q)進行比較，若臨界流量小于全開流量，說明無法全開閘門，下泄水流，需要控制閘門開度，控制最大下泄流量為臨界流量，保持下游河道水流為緩流。若臨界流量大于全開流量，說明，閘門可以全開，控制最大下泄流量為全開流量。

泄水流量：取臨界流量Qk和全開流量Q兩者中的較小值，計算結(jié)果見表3所示。

表3 泄水流量計算表

2.5 確定水閘開度

根據(jù)水閘設計規(guī)范附錄A.0.3，當水閘為平底閘、孔流時，過流計算公式，由上下游水位、下泄流量、水閘型式和孔口等參數(shù)推求水閘開度，計算結(jié)果見表4所示。

表4 水閘開度計算表

由計算結(jié)果可知，本工程在工況二、工況三(下游低潮位)時，需控制閘門開度，工況二時，最大開度為0.64 m，工況三時，最大開度為0.05 m。

2.6 消能計算成果

由上下游水位、下泄流量、水閘型式、下游河床高程等參數(shù)計算消力池尺寸，計算結(jié)果見表5。

表5 消能計算成果表

由計算結(jié)果可知，工況一(洪潮遭遇)的計算池深和水躍長度均較小，從結(jié)果上印證了洪潮遭遇時，并不是消能最不利的情況。而工況三(內(nèi)涌常水位+外江多年平均年最低潮位)由于下游水位過低，導致水閘開度和下泄流量很小，計算池深和長度也不是最大值。

最不利工況為工況二(內(nèi)涌常水位+外江多年平均低潮水位)，此時閘門開度為0.64 m，下泄流量47.60 m3/s，計算消力池池深為0.49 m，水躍長度8.09 m。工程按偏安全設計，將消力池池深及池長稍放大，下游消力池深度取1.00 m，池長16.00 m，滿足消能要求。

仙村水閘于2011年11月完成單位工程驗收，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和水閘安全評價報告，仙村水閘運行至今，水閘下游消力池結(jié)構(gòu)完好，消能效果良好，未發(fā)現(xiàn)沖刷破壞現(xiàn)象。

3 結(jié)論

由于擋潮閘獨特性，其消能設計具有其本身的特點，其工況選擇、水閘控制運行的判定條件，閘門開度的確定等均與其他類型水閘有所區(qū)別。以廣州市增城區(qū)仙村水閘為例，選取不同工況、水位組合，進行擋潮閘消能計算。檔潮閘消能設計最不利工況是內(nèi)涌常水位+外江低潮位的情況，以此確定消力池的尺寸。

同時，當外江潮位較低，要特別注意控制閘門開度和下泄流量，保障水閘的安全。閘門開度的計算方法是假定下游水深為臨界水深，由臨界水深公式反推泄水流量，通過泄水流量和上下游水位、水閘的基本參數(shù)來計算閘門最大開度。