漠阳江双捷拦河闸重建工程消能试验研究

2015-10-23黄智敏陆汉柱麦栋玲

水利规划与设计 2015年7期

黄智敏，付波，陆汉柱，麦栋玲

(广东省水利水电科学研究院广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635)

1 工程概况

漠阳江双捷拦河闸位于广东省阳江市北约20km的漠阳江中下游，是一宗以灌溉供水为主，兼有防洪、航运、发电等综合效益的大(1)型水利枢纽工程，闸址处集雨面积为4200km2。

双捷拦河闸于1958年11月开始兴建，1960年3月建成。2009年3月，经安全鉴定评定为四类闸，需对拦河闸进行重建。重建工程拦河闸共设28孔闸，单孔闸净宽12m，泄流总净宽336m，拦河闸总宽度413m。设计初拟方案拦河闸因使用功能分为冲沙闸、节制闸和泄洪闸等三种闸型，各闸型从右至左分别布置2孔冲沙闸Ⅰ区、6孔泄洪闸Ⅰ区、12孔节制闸、6孔泄洪闸Ⅱ区、2孔冲沙闸Ⅱ区等。拦河闸闸室采用宽顶堰型式;闸下游消能防冲采用底流消能方式:冲沙闸和节制闸下游采用两级消力池，泄洪闸下游采用一级消力池见图1。

拦河闸重建工程设计正常蓄水位为6.3m(珠基，下同);设计洪水标准为50年一遇(P=2%)，泄洪流量为Q=4458m3/s;校核洪水标准为200年一遇(P=0.5%)，泄洪流量Q=5276m3/s。

为了论证双捷拦河闸重建工程下游消能工体型和布置的合理性，开展了拦河闸水工断面模型和拦河闸枢纽(包括拦河闸、船闸、电站等)水工整体模型试验，两模型均为正态模型［1］。本文介绍双捷拦河闸泄洪消能试验研究成果，供类似工程设计和运行参考。

图1 双捷拦河阐重建工程设计初拟方案平面布置示意图

2 拦河闸运行方式

根据工程设计资料，重建工程拦河闸的运行方式为:

(1)当闸上游洪水来流量Q≤1398m3/s时，维持闸上游水位为正常蓄水位6.3m，先采用4孔冲沙闸和12孔节制闸闸门局部开启运行;待下游河道水位上升之后，再开启泄洪闸运行，直至拦河闸泄洪流量Q≤2540m3/s。

(2)当闸上游洪水来流量Q＞2540m3/s时，拦河闸28孔闸闸门全开运行，恢复天然河道泄洪流态，以确保工程的安全运行。

3 拦河闸下游消能工体型优化

3.1 消能工体型优化

参考有关的文献和经水工模型试验优化之后［1～2］，得出拦河闸各类闸孔下游消能工的体型为:

(1)冲沙闸(左、右岸各2孔)，闸室底板高程为2.96m，闸底板末端以1∶4.55坡度与下游一级消力池连接，一级消力池水平段长度为15m，水平段池底高程为0.76m，池深2.0m，池末尾坎顶高程为2.76m，池首端设置一排消力墩(消力墩高、墩宽和墩之间间距均为2.0m)，消力池末端尾坎长2.0m;一级消力池尾坎顶末端以1∶2.9坡度与下游二级消力池相接，二级消力池水平段长度为18m，池深1.5m，池首端设置一排消力墩(消力墩高、墩宽和墩之间间距均为1.6m)，池末尾坎顶高程为－1.75m，尾坎长2.0m;尾坎顶末端采用1∶22.6斜坡海漫段与防冲槽连接，防冲槽顶高程为－2.75m(见图2)。

图2 冲沙阐下游消能工推荐方案剖面图(单位:m)

(2)节制闸为12孔闸，闸室底板高程为3.26m，闸底板末端以1∶4坡度与下游一级消力池连接，闸下游消能工布置与冲沙闸相同(见图3)。

图3 节制阐下游消能工作推荐方案剖面图(单位:m)

(3)泄洪闸共12孔，对称布置在节制闸孔段的两侧，闸室底板高程为3.26m，闸底板末端以1∶4坡度与一级消力池相接，一级消力池水平段长度为15m，水平段池底高程为0.76m，池深2.0m，池末尾坎顶高程为2.76m，;一级消力池尾坎顶末端以1∶1坡度与下游水平海漫段(高程0.76m)连接后，再接坡度为1∶7.67和1∶22.6两斜坡海漫段及防冲槽(见图4)。

3.2 试验成果

图4 泄洪阐下游肖能工推荐方案剖面图(单位:m)

(1)当闸上游洪水流量Q≤1398m3/s时，维持闸上游水位为正常蓄水位6.3m、开启4孔冲沙闸和12孔节制闸运行(闸门开度e=0.25～1.75m)，一、二级消力池内水流形成较稳定的强迫水跃，二级消力池出流较平顺与下游河道水流衔接;测试的二级消力池尾坎和海漫段末端断面的出流底流速分别小于2.5m/s和1.3m/s。

(2)当1398m3/s≤Q≤2540m3/s时，维持4孔冲沙闸和12孔节制闸运行(e=1.75m)，12孔泄洪闸闸门逐渐开启运行(闸门开度e=0.25～1.0m)，泄洪闸一级消力池内水流形成较稳定的强迫水跃，出流经池末尾坎下游水平海漫段和斜坡海漫段之后，较平顺与下游河道水流衔接;测试的泄洪闸下游水平海漫段底流速较大值约2.5m/s，海漫段末端断面的底流速较大值约1.2m/s。

(3)当闸上游洪水流量Q＞2540m3/s时，28孔闸闸门全开运行，闸下游水流多呈波状流，测试的拦河闸下游海漫段末端断面的底流速v≤1.7m/s。

因此，水工模型试验优化的拦河闸各类闸型下游消能工体型是合理的，试验成果可供工程设计和运行参考。

4 拦河闸下游消能工布置比较及合理性分析

4.1 消能工布置比较和优化

根据工程设计的要求，设计初拟方案的拦河闸各类闸型调度运行方式为:当闸上游洪水来流量Q≤1398m3/s时(相应闸下游河道水位Z≤2.9m)，维持闸上游水位为正常蓄水位(Z0=6.3m)，先开启4孔冲沙闸和12孔节制闸闸门局部开启运行;待闸上游洪水来流量Q＞1398m3/s时(Z＞2.9m)，再开启12孔泄洪闸运行，直至拦河闸泄洪流量Q=2540m3/s;当闸上游洪水来流量Q＞2540m3/s时，28孔闸闸门全开运行，以确保工程的安全运行。

设计初拟方案拦河闸运行方式的优点是能够合理和有序地调度各类闸孔运行，将设置有两级消力池的冲沙闸和节制闸先开启运行，待闸下游河道水位上升之后，才开启泄洪闸运行，以确保拦河闸各类闸孔下游消能工的安全运行，同时简化了泄洪闸下游消能工，大大节省了拦河闸下游消能工的投资，便于工程施工;其缺点是拦河闸必须要严格按照各类闸孔调度运行程序开启，若一旦闸孔出现误操作调度开启运行(如在初始泄流时，先开启泄洪闸闸孔运行)，则闸下游河道水位较低(闸下游河道最低水位为－1.17m)，泄洪闸消力池的下游海漫段将会遭受到严重的冲刷破坏，危及工程的安全运行。

此外，水工模型试验表明，布置在左、右岸两侧的4孔冲沙闸单独运行时(闸上游为正常蓄水位6.3m)，闸门开度e≤0.75m运行的闸上游两岸侧区域拉沙效果不明显;当4孔冲沙闸闸门开度e≥1.0m运行时，则其下游二级消力池出池流速和海漫段流速v＞2.5m/s，易对下游海漫段产生冲刷破坏。

因此，经工程设计、运行管理和水工模型试验成果等综合分析之后，双捷拦河闸重建工程推荐方案布置为:1)将冲沙闸闸室堰顶高程由2.96m抬高至3.26m，其堰顶高程、闸下游消力池布置与节制闸相同;2)将泄洪闸下游一级消力池方案修改为两级消力池方案，其下游消能工体型和布置与节制闸相同。因此，将拦河闸的冲沙闸、节制闸和泄洪闸合并统称为泄洪闸，优化后的双捷拦河闸重建工程枢纽平面布置见图5。28孔拦河闸孔共分为3个区段，河道中间区段布置12孔闸，其两侧分别布置8孔闸。如图5所示。

图5 双捷栏河阐重建工程优化方案平面布置示意图

4.2 拦河闸闸孔优化调度运行

拦河闸闸孔分为3个区段，其目的是在正常蓄水位(6.3m)条件下、便于各闸孔的开启调度运行。水工模型试验研究提出的拦河闸闸孔调度运行的方式为:

(1)在拦河闸初始开启运行时，可先开启中间12孔闸孔运行(闸门开度 e≤0.75m、Q≤504m3/s)，待泄流稳定之后，再开启左、右两侧各8孔闸(闸门开度e=0.25m)运行;然后按顺序先开启中间12孔闸、后开启两侧各8孔闸(每一级增加的闸门开度△e=0.25m)逐级交替增加闸门开度泄流运行，直至28孔闸的泄洪流量Q≤2540m3/s。

(2)当拦河闸上游洪水来流量Q＞2540m3/s时，28孔拦河闸闸门全开泄洪，以确保工程的安全运行。

4.3 消能工布置合理性分析

(1)双捷拦河闸重建工程设计初拟方案布置有冲沙闸、节制闸和泄洪闸等三种类型闸型，其作用是希望能够通过合理和有序地调度各类闸孔运行，达到节省工程投资、便于施工和确保工程安全运行的目的。但该方案需要高素质的管理人员和严格的拦河闸调度运行操作程序，否则将会造成泄洪闸消力池下游海漫段产生严重的冲刷破坏，危及工程的安全运行。

(2)双捷拦河闸重建工程优化方案的各类闸孔调度运行较方便，调度运行操作中造成工程出险的机率较小，但该方案工程投资相对较大，施工期较长。

因此，可在综合分析拦河闸调度运行、管理水平、工程投资和施工等因素的基础上，合理地选择拦河闸各类闸孔的下游消能工布置方案。