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西溪拦河闸下游消能工出险分析和改造研究

2015-12-21黄智敏陈卓英黄健东

水利与建筑工程学报 2015年6期
关键词:海漫拦河闸西溪

黄智敏,陈卓英,罗 岸,黄健东

(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)

修建在河道上的拦河闸坝枢纽工程,其下游消能工产生破坏的主要原因有:一是对河道过量采沙导致河床严重下切、水位明显下降,造成其拦河闸上、下游水位差增大,拦河闸下游消力池水深减小、无法满足消能的要求,消能工极易出险和破坏[1-5];二是其工程施工质量达不到要求而产生破坏。潮州供水枢纽工程西溪拦河闸建成蓄水后,运行不久造成其下游海漫段冲刷破坏,需进行除险与改造。本文根据西溪拦河闸工程布置和出险的泄流水力参数,对其下游海漫段出险的水力条件和原因进行计算和初步分析,并介绍其除险改造方案试验研究成果和运行情况。

1 工程概况

西溪拦河闸位于广东省潮州市境内的韩江下游的西溪河道上,布置有16孔泄洪闸,单孔闸净宽14 m,总净宽224 m,闸室总宽度为262.1 m;闸室溢流堰为开敞式宽顶堰,堰顶高程为1.5 m(珠基,下同);闸室下游消力池池底高程0.0 m,水平段池长23.5 m,池末尾坎顶高程1.5 m;消力池下游设置18 m长浆砌石水平海漫段、坡度为1∶10的干砌石斜坡海漫段和防冲槽等(见图1、图2)。

图1 潮州供水枢纽工程平面布置示意图

图2 西溪拦河闸及其下游消能工剖面图(单位:m)

根据工程设计资料,西溪拦河闸闸址区域河床为深厚软基河床,河床表层的淤泥质厚度达20 m~30 m,地质条件较差。西溪拦河闸上游正常蓄水位设为10.5 m,设计洪水标准为50年一遇,校核洪水标准为200年一遇。

西溪拦河闸于2005年9月建成蓄水。2006年3月下旬,西溪拦河闸消力池下游水平海漫段遭受到较严重的冲刷破坏,严重威胁枢纽工程的安全。2006年底,对西溪拦河闸下游消能工进行了除险和改造,除险改造后的工程运行情况良好。

2 消能工出险及分析

2.1 消能工出险情况

潮州供水枢纽东、西溪拦河闸于2005年9月底开始下闸蓄水,由于工程建设和电站机组调试的需要,闸上游水位控制在约7.0 m~7.5 m运行。2006年3月27日,东、西溪拦河闸下泄自蓄水以来的最大泄洪流量3 451 m3/s,其中西溪拦河闸下泄量约1 450 m3/s,闸上游水位控制约为7.0 m,拦河闸开启2#~16#闸孔(闸孔编号由左往右编排)、闸门开度e约0.8 m和1.2 m两档泄流运行。泄洪后检查发现,4#~12#闸孔消力池下游18 m长的浆砌石水平海漫段基本被冲毁,其最大冲深约4.3 m(最大冲深底高程约-2.8 m),平均冲深约3 m,冲毁的冲渣堆积在水平海漫段下游干砌石斜坡海漫段的上游端。

2.2 消能工出险原因分析

在20世纪90年代末至本世纪初,由于西溪拦河闸下游河道人为过量采沙的结果,闸址河道水位不断地下降,在西溪拦河闸泄洪流量Q=200 m3/s~1 400 m3/s范围内,2006年3月实测的闸址水位—流量关系曲线比2002年工程初设阶段的闸址水位—流量关系曲线下降了约0.8 m~1.7 m(见图3)。因此,拦河闸下游河道水位降低,使得其下游消力池水深减小、消能率降低,出池水流挟带较大的能量易造成下游海漫段冲刷破坏和损毁。

图3 西溪拦河闸闸扯水位Z—流量Q关系

根据西溪拦河闸下游消能工出险情况和泄流的水力参数,对其消能工运行的水力条件进行初步计算和分析。据了解,2006年3月27日出险时的西溪拦河闸泄洪调度运行资料为:闸上游水位Z0=7.0 m,水闸开启15孔闸、闸门开度e=0.8 m~1.2 m,泄洪流量Q=1 450 m3/s;闸下游水位Z=3.9 m(消力池下游水平海漫段水深ht=2.4 m,比初设阶段相应水深减小约1.7 m,见图3)。由于泄洪时拦河闸闸门开度e开启0.8 m和1.2 m两档运行(以e=1.2 m开度运行为主),闸门开启的高度不均匀,为了便于计算和分析,采用15孔闸孔净宽的平均泄流单宽流量为计算依据,因此,闸孔泄流运行的单宽流量 q=1 450/210=6.9 m3/(s·m)。

由西溪拦河闸泄流水力参数和水闸下游消力池水力计算公式[6-8],消力池池底总水头 E0=7 m(闸上游水位Z0=7.0 m),取消力池进口断面流速系数φ=0.97,计算得:消力池进口收缩断面水深h1=0.64 m,跃后水深h2=3.6 m,消力池末端出口水面落差 ΔZ=0.28 m,水跃跃长Lj=20.44 m,水平段池长 L=0.8Lj=16.36 m,池深 S=1.28 m。

由计算结果分析:(1)西溪拦河闸下游消力池池长和池深均可以满足泄流运行的要求;(2)计算的消力池下游水平海漫段的平均流速约2.3 m/s(消力池总宽度为262.1 m,水平海漫段水深ht=2.4 m),考虑到消力池水深减小之后,池内水流消能率降低,消力池及下游海漫段存在着泄流不均匀性、折冲水流等不利影响,消力池下游出池流速可取其平均流速的1.2 ~1.3 倍[9],因此,消力池下游水平海漫段流速较大值约3 m/s。

消力池下游浆砌石海漫段的抗冲流速约为3 m/s~6 m/s[8],本次泄洪运行的拦河闸下游浆砌石水平海漫段的流速值约达浆砌石海漫段抗冲流速的下限值,但拦河闸下游浆砌石水平海漫段仍遭受较严重的冲刷和淘刷破坏,因此,拦河闸下游海漫段出险除了考虑闸下游河道水位降低影响之外,还应从浆砌石海漫段的结构和质量、地基条件等进行分析和寻找原因。

3 拦河闸除险改造方案和试验

3.1 闸址水位—流量关系选取

为了确保西溪拦河闸下游消能工的安全运行,除险改造工程设计的拦河闸下游河道水位与流量关系选用闸下游河道河床可能挖沙最不利的状况和下游河道出海口最低潮位(西溪拦河闸下游20多公里处为河道出海口)组合进行推算,得出除险改造工程设计的西溪拦河闸闸址水位—流量关系见图3:本次除险改造工程设计的闸址水位—流量关系与2002年工程初设阶段相比,小流量降低约3 m、大流量降低约 6 m ~7 m[10]。

3.2 除险改造的推荐方案

西溪拦河闸下游消能工水力模型试验的推荐方案为(见图4):

图4 西溪拦河闸下游消能工推荐方案剖面布置图(单位:m)

(1)由于拦河闸闸室和其下游消力池位于深厚的软基河床上,且现状的下游消力池的结构较完整,因此,保留现状的消力池为一级消力池。在各级洪水流量泄流运行时,下游河道水位较低,一级消力池出流多为自由出流,为了消除一级消力池内的急流状远驱水跃,将池末尾坎顶加高1.0 m(尾坎顶高程为 2.5 m),池深由 1.5 m 增加至 2.5 m[11-12]。

(2)一、二级消力池之间陡坡段坡度为1∶4,经水力模型试验优化后的二级消力池池底高程为-3.3 m,池长22 m,池深1.0 m,二级消力池进口端(桩号0+068.80断面)设置一排消力墩(墩高1.5 m、墩宽1.6 m(墩净间距与墩宽相同));二级消力池尾坎末端接坡度为1∶25斜坡海漫段和防冲槽[11-14]。

3.3 水力模型试验成果

(1)在拦河闸各级洪水流量泄流运行时,一级消力池内形成稳定的水跃,池内水流消能较充分,出池水流沿下游陡坡段较平顺进入二级消力池。一级消力池末尾坎顶加高1.0 m方案的工程投资较少、施工较方便,对改善一级消力池流态、确保工程安全运行的效果是非常显著的。

(2)一级消力池池末尾坎顶加高之后,其尾坎顶比拦河闸闸室堰顶高1.0 m,需对拦河闸的泄流能力进行复核。

拦河闸泄流能力的复核可参见文献[15],其具体的方法为:仍采用工程初设阶段的拦河闸闸址水位—流量关系(见图3),在设计洪水标准和校核洪水标准流量相应的拦河闸下游河道水位(工程初设阶段的设计洪水标准和校核洪水标准流量的相应下游河道水位分别为12.7 m和14.35 m)条件下,计算出拦河闸闸孔净过水面积分别为2 509 m2和2 878 m2、一级消力池末尾坎顶过水面积分别为2 673 m2和3 106 m2。计算表明,一级消力池末尾坎顶过水面积大于拦河闸闸孔过水断面面积,且拦河闸闸孔过水断面受闸墩阻水的影响,闸孔过水断面对水流侧收缩影响大于消力池末尾坎顶过水断面,因此,一级消力池池末尾坎顶加高不会影响拦河闸的泄流能力[15]。

(3)二级消力池水流在消力墩的作用下,形成稳定的强迫水跃,减短了二级消力池池长,池内水流消能较充分,出池流速小于其下游海漫段的抗冲流速。

4 拦河闸除险改造后的运行情况

2007年2月,西溪拦河闸下游消能工除险改造工程建成运行,运行后经历了多次泄洪的考验,其中最大泄洪流量达约5 500 m3/s(约5 a一遇标准洪水流量)。历次泄洪中观测到拦河闸下游一、二级消力池内形成稳定的水跃,水流经两级消力池消能后,出池水流较平顺与下游河道水流衔接,效果良好。

目前,由于西溪拦河闸下游河道水位仍高于除险改造工程设计的闸址下游水位—流量关系的水位值,且闸下游河道已采取了较严格的禁止采沙的措施,因此,工程运行中应严格遵守拦河闸闸门启闭操作规程,同时加强下游河道水位的观测,以确保工程长期运行的安全。

5 结语

(1)潮州供水枢纽工程西溪拦河闸建成运行后,其消力池下游海漫段遭受到较严重的冲刷破坏。根据西溪拦河闸工程布置和泄流水力参数,对其下游消能工出险的水力条件进行计算,初步分析了西溪拦河闸下游海漫段出险的原因。

(2)西溪拦河闸除险改造工程将现状消力池改造为一级消力池、在其下游修建二级消力池,并将一级消力池末尾坎顶加高至高于拦河闸闸室堰顶1.0 m等,对改善消力池流态、确保工程安全运行的效果是非常显著的。

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