旗岭水闸加固扩建工程消能设计

2013-10-16许志亮

浙江水利科技 2013年6期

许志亮

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东广州 510635)

1 工程概况

旗岭水闸位于广东省东莞市樟木头镇旗岭村,枢纽由泄洪闸、溢流坝、两侧过水涵管、两岸土坝连接段组成。左侧泄洪闸由13个闸孔组成,宽101.04 m,泄洪闸底板面高程为7.244 m,闸孔净宽6.00 m,墩厚1.50 m,闸顶高程18.244m,上设2.30 m宽人行桥和启闭设备平台及构架,均为混凝土结构。右侧为溢流坝,宽72.40 m,堰顶高程11.244 m,拦河闸与溢流坝全长173.44 m。2012年6月旗岭水闸安全类别评定为“三类闸”。安全鉴定主要结论为:现状水闸过流能力不满足要求,泄洪闸消能防冲不满足规范要求。建议拆除右岸溢流坝段,在其坝址位置扩建泄洪闸,以满足水闸泄流能力,重建泄洪闸消力池及海漫[1]。

为解决水闸过流能力不足问题,需进行扩建,水闸左侧土坝段为东深供水渠堤岸和弃水口,无扩展空间,因此水闸扩建只有采取右侧原溢流坝改建方案。经计算右侧新增水闸9孔,单孔宽度6.00 m,扩建后水闸共22孔,水闸总净宽132.00 m。

2 旧闸加固消能设计方案

根据安全鉴定结论,泄洪闸消能防冲不满足规范要求,需进行改建。改建方案采用一级消力池和二级消力池方案进行比选。

2.1 一级消力池方案 (方案1)

重建一级消力池方案要求拆除消力池现有钢筋混凝土斜坡段以下部分及海漫结构,并对两岸挡墙进行支护加固。经消能计算,池底高程为3.10 m,池长为30.00 m,尾坎高1.00m,消力池底板厚1.00 m;海漫长40.00 m,海漫坡度为1∶20的缓坡,前10.00 m为钢筋混凝土结构,后30.00 m为50 cm厚格宾石笼护垫,海漫后接长10.00m深2.70 m的抛石防冲槽。

2.2 二级消力池方案 (方案2)

一级消力池的尾坎高程不变,设置1∶4斜坡段与二级消力池连接。二级消力池池底高程为3.30 m,池长为31.50 m,尾坎高0.80 m,消力池底板厚0.80 m;海漫长度40.00 m,海漫坡度为1∶20的缓坡,前10.00 m为钢筋混凝土结构,后30.00 m为0.5 m厚金属网箱海漫,海漫后接长10.00 m深2.70 m的抛石防冲槽。

由于方案1必须拆除现有消力池及海漫,并开挖至2.00 m以下,施工难度较方案2大。同时,水流从出闸到池底落差达5.244 m,消力池及两侧岸墙工程量明显比增设方案2多,经估算,采用方案1的投资为645.7万元,较方案2多118.1万元。而且石马河管理处办公楼紧靠下游水闸岸墙,距堤顶只有5.00 m,消力池开挖对管理处办公楼带来一定的不利影响。因此,推荐方案2为旧闸加固方案。

3 新建水闸段消能设计方案

为满足过流要求,原闸右侧宽72.40 m的溢流坝段拆除,改建为泄水闸,单孔宽度6.00 m,设计中分别进行8孔、9孔、10孔方案比选(见表1),新增8孔方案上下游水头差满足规范要求,但值已接近上限,而10孔方案须开挖至土坝连接段,综合比选最终选定新增9孔方案。

表1 各过流方案上下游水位差比较表

从节约投资角度考虑,新建水闸采用一级消力池方案,今后在运行时,水闸需首先开启原13孔,待下游水位达到一定程度满足新建水闸消能条件后,再开启新建水闸。旗岭水闸扩建后,共22孔,单孔净宽6.00 m,总净宽132.00 m,闸顶高程18.244 m,上设2.70m宽人行桥。

4 闸门调度原则

考虑加固段采用二级消力池消能,新建段采用一级消力池,确定闸门调度原则如下:

(1)闸前水位保持在11.244m,全闸闸门关闭。

(2)当闸前水位高于 11.244 m,来水流量 Q来≤300 m3/s,加固段闸门部分开启,调节下泄流量使闸前水位保持为11.244 m不变。

(3)当闸前水位高于11.244 m,300 m3/s＜Q来≤1 000 m3/s,新建段分级开启14号～22号孔至开度0.90 m,然后按照先中孔后边孔的原则,1号～22号孔同时开启直至全开。

(4)当上游来水量Q来＞1 000 m3/s时,拦河水闸闸门按操作规程分档全部开启到顶,恢复天然河道行洪条件,洪峰过后再逐渐关闭闸门蓄水到正常蓄水位11.244 m。

表2 水闸闸门控制运用方式表

5 消能计算方法及成果

本工程水闸在渲泄设计洪水时,上下游落差很小,过闸水流呈缓流状态,该情况不是消能设计的控制工况。本工程的消能设计控制工况是保持闸上游为正常蓄水位11.244m的情况下,渲泄上游多余的来水量。这时使用闸门控制泄水量,相应的下游水位应根据下游河道的水位流量关系曲线确定。

按照所拟定的拦河水闸消能方式为底流式消能,要求过闸水流在消力池内产生稳定的水跃,消能计算采用电算程序进行。闸门开启按照前述的原则,每档高度0.30 m。以一级消力池出池水深及下游水位进行二级消力池消能计算,采用规范推荐公式计算hc和hc″,再通过试算求得二级消力池深度及长度。

消能防冲复核计算采用SL 265—2001《水闸设计规范》[2]附录B的有关公式进行计算。不同工况下水闸的消能防冲计算成果见表3和表4。根据计算成果,二级消力池池底高程采用3.30 m,池长为31.50 m,尾坎高0.80 m。

海漫起到调整出池水流垂直流速分布及平面扩散的作用,消减出池水流的有害余能,避免消力池后出现危险冲坑。海漫长度根据各种工况采用SL 265—2001《水闸设计规范》附录B中(B.2.1)进行试算,经计算后并考虑河床下切影响,海漫设置长度40.00m,按1∶20向下游侧倾斜,海漫前10.00 m为钢筋混凝土结构,后30.00 m采用厚0.5 m的金属网箱装120～250 mm粒径块石填筑,抗冲流速可达6 m/s。河床冲刷深度根据SL 265—2001《水闸设计规范》附录B中 (B.3.1)计算可达6.00 m,如作为下游防冲槽深度,既不经济、施工也困难。参照同类工程经验并结合地形条件,设计取下游防冲槽深度1.80～2.80 m,采用抛石挤密方式填筑形成防冲槽。