汾河二壩攔河水閘除險(xiǎn)加固過流能力分析

常曉亮

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 汾河二壩攔河閘概況

1.1 現(xiàn)狀及洪水標(biāo)準(zhǔn)

汾河二壩攔河閘屬大（二）型水閘，舊閘為8 孔，每孔凈寬10 m，原標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇洪水設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)下泄量為1 600 m3/s；20 年一遇洪水校核，對(duì)應(yīng)下泄量為2 000 m3/s。根據(jù)現(xiàn)行《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，該閘為Ⅱ等工程，屬大（二）型水閘，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇，對(duì)應(yīng)下泄量為2 220 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，對(duì)應(yīng)下泄量為3 140 m3/s。

1.2 水閘總體布置

汾河二壩樞紐由攔河閘及攔河壩組成，攔河閘位于河道右側(cè)，攔河壩位于左側(cè)。由于現(xiàn)行規(guī)范提高了洪水標(biāo)準(zhǔn)，該閘現(xiàn)狀泄洪能力已不能滿足要求，需向左側(cè)擴(kuò)建閘孔數(shù)量，擴(kuò)大水閘泄洪能力，除險(xiǎn)加固在其左側(cè)擴(kuò)建4 孔泄洪閘，每孔凈寬10 m，擴(kuò)建后水閘共12 孔，閘孔總凈寬120 m，擴(kuò)建后閘室總寬142.8 m。水閘上、下游左右岸均設(shè)導(dǎo)水翼墻，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)均為45 m。閘底板頂高程757.7 m，閘室后半段設(shè)1∶5 斜坡與下游消力池相接，消力池池長(zhǎng)18 m，深1.5 m，如圖1 所示。

圖1 二壩攔河水閘計(jì)算斷面位置圖

二壩樞紐所在的上游河道已進(jìn)行了清淤疏浚，目前主槽寬約450 m；下游河道寬約500 m，由于常年淤積，主河床現(xiàn)狀底高程約為759 m，高于水閘底板2 m，嚴(yán)重影響水閘泄洪，為了保證行洪安全，需對(duì)除險(xiǎn)加固后水閘泄洪能力進(jìn)行復(fù)核分析，以驗(yàn)證擴(kuò)閘方案的正確性。

2 水閘泄流能力分析

二壩水閘最大泄流能力需滿足100 年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)應(yīng)下泄量為3 140 m3/s，以下對(duì)二壩水閘在該洪峰流量工況下的過流能力進(jìn)行復(fù)核分析。

2.1 河道下游水面線推算

經(jīng)分析，汾河二壩攔河水閘泄量能力的大小，很大程度上取決于下游水位的高低，為了準(zhǔn)確判斷其在校核工況下的泄流能力，在二壩水閘下游河道950 m 范圍內(nèi)布置了9 個(gè)斷面，用來推求下游河道水面線，計(jì)算斷面均為實(shí)測(cè)斷面。河道水面線計(jì)算，采用灘槽不同糙率的一維恒定非均勻漸變流方程計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：Z——斷面水位，m；

Q——斷面流量，m3/s；

V——平均流速，m/s；

α、ζ——分別為動(dòng)能修正系數(shù)和局部阻力系數(shù)；

g——為重力加速度；

K——綜合流量系數(shù)，由下式確定：

式中，Ai、Ri、ni分別為左灘、中槽、右灘的流量系數(shù)、過水面積水力半徑和糙率。

河床糙率的選擇，主要根據(jù)此河段河床質(zhì)組成及床面、河灘特性，參照有關(guān)水文站實(shí)測(cè)的水位、流量與斷面資料來確定糙率，取0.03。

由閘下游0+950 m 處，反推算至閘后0+030 m（下游海曼處），水閘處下游樁號(hào)為0+030 m，通過下表可知，該處對(duì)應(yīng)水位764.74 m。表1 為下游河道在100 年一遇校核流量3 140 m3/s 工況下的河床水面線。

表1 汾河二壩壩址下游河道950 m 范圍內(nèi)P=1%河道水面線表

2.2 河道上游500 m 處河道斷面水力計(jì)算

二壩攔河閘泄流能力復(fù)核，閘前行進(jìn)流速v 值選取尤為重要，對(duì)泄流能力的計(jì)算會(huì)產(chǎn)生重要影響。同時(shí)，該值的選取也較為困難，由于水閘閘前水深及流速互為變量，無法直接確定其中一個(gè)變量值，需通過試算確定，試算的前提需要求得水閘閘前能量E 值，該值為斷面處水流動(dòng)能與勢(shì)能的總和。根據(jù)能量守恒定律，閘前能量值，可近似通過上游近閘河道行洪時(shí)某處斷面能量求得。

因此選取水閘上游河道500 m 處斷面為計(jì)算斷面，水閘上游天然河道天然平均縱坡i 為1/1 400，當(dāng)河道通過100 年一遇洪水3 140 m3/s 時(shí)，根據(jù)水閘上游500 m 處河床斷面水力學(xué)條件進(jìn)行計(jì)算，該斷面處推算的洪水位為765.70 m，根據(jù)橫斷面量得過流斷面面積A 為1 727.56 m2，流速V=Q/A，為1.82 m/s。

2.3 閘前行進(jìn)水頭H0 推算

閘前行進(jìn)水頭H0為閘前水深與流速水頭之和，為泄流能力復(fù)核計(jì)算關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一。該值計(jì)算方法如下：根據(jù)能量守恒定律，閘前500 m 河道斷面總能量E01等于閘前收縮斷面E02，現(xiàn)以水閘底板頂高程757.7 m為基準(zhǔn)，列能量方程：

式中：H01——閘前500 m 河道斷面處計(jì)入行進(jìn)流速的堰上水頭，m；

H02——閘前收縮斷面計(jì)入行進(jìn)流速的堰上水頭，m；

v01——閘前500 m 河道斷面流速，1.82 m/s；

v02——閘前收縮斷面流速；

h1+△Z——閘前500 m 河道斷面處水位相對(duì)于閘底板頂高程水深，河道斷面處水位765.70 m。

h1——閘前500 m 河道斷面水深，m；

h2——閘前收縮斷面水深，m；

hf——閘前500 m 河道斷面到閘前收縮斷面沿程損失，約等于L（斷面間距）/i（河道縱坡）即0.357 m；

由上式可知：

經(jīng)計(jì)算，閘前500m 河道斷面總能量E01為8.168m，閘前收縮斷面計(jì)入行進(jìn)流速的堰上水頭H02為7.81 m。

2.4 水閘泄流能力的計(jì)算

閘前行進(jìn)流速水頭H02求得以后，即可進(jìn)行水閘過流能力復(fù)核計(jì)算。計(jì)算時(shí)首先應(yīng)判斷水閘泄流時(shí)下游淹沒程度，選擇合理的計(jì)算公式，分析如下：

當(dāng)水閘下泄100 年一遇洪峰流量3 140 m3/s 時(shí)，由表1 可知，閘后下游水位為764.70 m，由堰頂算起的下游水深hs為7.0 m，hs/H02≈0.90。

為安全起見，當(dāng)hs/H02≥0.9 時(shí)，閘孔出流按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2001）附錄A 中公式A.0.2—1 及A.0.2—2 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3，計(jì)算公式如下：

表3 水閘泄流能力的計(jì)算表

式中：Q——過閘流量，m3/s；

B0——閘孔總凈寬，10 m；

μ0——淹沒堰流的綜合流量系數(shù)；

hs——下游淹沒水深，m；

g——重力加速度值，9.81 m/s2；

H02——閘前收縮斷面計(jì)入行進(jìn)流速的堰上水頭，m。

以上表明，當(dāng)H02為7.81 m 時(shí)，水閘可通過對(duì)應(yīng)下泄量3 141.00 m3/s，與百年一遇校核洪水3 140 m3/s接近。

2.5 閘前收縮斷面水深h2 計(jì)算

閘前行進(jìn)流速水頭H02求得以后，為復(fù)核閘墩高度，還需通過H02求得閘前收縮斷面水深h2。由于水閘閘前水深及流速互為變量，無法直接確定其中一個(gè)變量值，需通過試算確定。

試算通過采用公式H02=h2+v02/2g 進(jìn)行，式中h2與v02則互為相關(guān)變量，v02未知，h2無法求出，可假定h2值，采用逐步近似法計(jì)算，當(dāng)水閘通過3 140 m3/s 下泄量時(shí)，H02恒定值為7.81 m。

第一次近似計(jì)算：

假定h2=3.0 m 時(shí)，收縮斷面流速公式為：v02=Q/Bh02=7.33 m/s。則h2=H02-v02/2g=5.07 m.

第二次近似計(jì)算：

根據(jù)第一次求得的h2=5.07 m，代入v02=Q/Bh02=4.43 m/s。則h2=H02-v02/2g=6.85 m

第三次近似計(jì)算

根據(jù)第二次求得的h2=6.85 m，代入v02=Q/Bh02=3.21 m/s。則h2=H02-v02/2g=7.29 m

第四次近似計(jì)算：

根據(jù)第三次求得的h2=7.29 m，代入v02=Q/Bh02=3.02 m/s。則h2=H02-v02/2g=7.35 m

第五次近似計(jì)算

根據(jù)第四次求得的h2=7.35 m，代入v02=Q/Bh02=2.99 m/s。則h2=H02-v02/2g=7.35 m

因?yàn)榈谒拇闻c第五次求得的h2相接近，最終認(rèn)為閘前收縮斷面水深h2為7.35 m，流速為v02為2.99 m/s時(shí)，可通過100 年一遇校核洪水。

3 結(jié)語

為復(fù)核汾河二壩攔河閘擴(kuò)建4 孔閘后過流能力是否滿足100 年一遇校核洪水3 140 m3/s 泄量要求，從水閘上下游地形高差、河勢(shì)、水閘出流條件、能量守恒等方面對(duì)泄流能力計(jì)算進(jìn)行了合理性分析，特別對(duì)影響水閘泄流能力的關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行了可靠計(jì)算，并按順序?qū)ξ粗獏?shù)進(jìn)行了推導(dǎo)，對(duì)水閘泄流能力計(jì)算公式進(jìn)行了選擇并計(jì)算，據(jù)此進(jìn)一步提出水閘前收縮斷面水深h2與該斷面流速v 值的推求方法，計(jì)算結(jié)果證明了擴(kuò)閘方案是合理的。