低水头拦河闸重建工程消能工优化布置试验研究

2017-05-17陈卓英倪培桐

水利与建筑工程学报 2017年2期

陈卓英，倪培桐

(1.广东省水利水电科学研究院，广东广州 510630；2.广东省水动力学应用研究重点实验室, 广东广州 510630；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室, 广东广州 510630)

陈卓英1,2,3，倪培桐1,2,3

共青河拦河闸坝工程是典型的低水头枢纽工程，近年来随着下游河床下切等原因，拦河闸坝多次出现险情，个别部位残损严重，影响工程的安全运行。为研究研究拦河闸坝及其消能工运行的水力特性，妥善解决拦河闸坝下游消能防冲的问题，基于工青河拦河闸工程设计资料，建立了水工模型试验。试验表明通过增加一级消力池末端左、右两侧尾坎顶高程和在一级消力池尾坎下游两侧斜坡段上设置外凸型阶梯，有效降低了消力池出流斜向流速，减轻该斜向流撞击左、右两侧斜坡段内坡的现象，且外凸型阶梯削减了斜坡段的流速，减轻了下游海漫段和防冲槽的消能压力，较好地解决了下游河床的消能防冲问题。

共青河拦河闸；消能工；外凸型阶梯；试验研究

低水头水工建筑物具有水头低、流量大、弗劳德数低、深尾水及消能率低等特点。由于低水头建筑物效能率低是普遍问题，因此能量被大量带到河道下游，致使下游河道受水流冲刷侵蚀。特别是近年来河道采砂量大致使枢纽下游河道下切严重，边岸滑坡，对枢纽安全形成较大威胁[1-5]。从目前研究看低水头消能工关注阶梯式消能工[6-10]、消力墩位置[11-13]、缓坡溢洪道挑坎[14-15]、消力池综合消能效率[16-17]、电站导墙布置对流态影响[18]、溢洪道中墩尾部水翅消减方案[19]、泄水闸闸前冲刷[20]等问题。广东省地处华南沿海，河流比降小，普遍存在低水头拦河闸工程。共青河引水枢纽位于电白县西部的沙琅江干流上，是典型的低水头水工枢纽。其担负着电白县西南部九个镇7 100 hm2农田的灌溉和县城水东镇的工商业及20多万居民生活用水任务。是一座以灌溉为主，兼顾供水、交通等功能的水闸工程。枢纽闸坝工程始建于1958年，1986年重建，1988年重建完成并投入运行20多年，拦河闸坝工程个别部位残损严重，险情不断，严重影响工程的安全运行，需要重建。

共青河拦河闸坝重建工程为Ⅱ等大(2)型水闸，主要建筑物包括拦河闸、溢流坝、两岸连接段及上、下游翼墙等。拦河闸布置共5孔，闸室堰顶高程16.3 m(珠基，下同)，单孔净宽12.5 m，泄流总净宽62.5 m，前缘总宽度75.54 m。溢流坝段位于拦河闸的两侧，两侧长度均为45.68 m，溢流堰型采用WES堰，堰顶高程为19.3 m，堰下游高程为16.3 m(见图1)。

图1 共青河闸坝重建工程初选方案平面布置图

共青河拦河闸坝设计洪水标准为50年一遇(P=2%)，洪水流量Q=2 300 m3/s，校核洪水标准为200年一遇(P=0.5%)，洪水流量Q=2 940 m3/s。消能防冲建筑物洪水设计标准与拦河闸坝标准一致，采用50年一遇(P=2%)，拦河闸上游正常蓄水位为19.3 m。

本文试验主要研究拦河闸坝及其消能工运行的水力特性，妥善解决拦河闸坝下游消能防冲的问题[21-22]，为工程设计和运行提供科学依据。

1 模型设计

模型按弗劳德相似定律设计为正态,在满足试验成果精度的前提下，根据试验场地、供水条件等，选取模型几何比尺Lr=40。流量根据弗劳德重力相似律，可得出模型各主要物理量的比尺关系。

根据共青河拦河闸坝坝址工程区域的河道地形，为了保证工程河段水流条件的相似，模型截取范围为拦河闸坝上、下游河道各约1 000 m，模型试验模拟的拦河闸坝上、下河道总长度约为2 000 m。

拦河闸坝上、下游模型河道地形采用工程设计提供的河道地形图进行制作，河道地形和拦河闸坝根据设计方提供的设计图纸按几何相似缩制。拦河闸、溢流坝等采用优质杉木精制，表面上蜡抛光；模型河道地形用水泥沙浆刮制、批荡抹光，以满足模型河床糙率与原型河床糙率相似。

2 原设计方案消能工运行试验

2.1 工程布置

2.1.1 拦河闸及其下游消能工布置

经共青河拦河闸水工断面模型试验研究[21]，优化了拦河闸下游消能工的布置和体型。水工断面模型试验推荐的拦河闸及其下游消能工的布置和体型尺寸为(见图2)。

闸室下游布置两级消力池，一级消力池水平长度为19.5 m，池深2.2 m，池末尾坎顶高程16.0 m，尾坎末端以1∶2.5坡度陡坡段与下游二级消力池连接；一、二级消力池之间陡坡段布置4级高0.35 m、间距3.2 m的外凸型阶梯；二级消力池水平长度为22 m，池深0.8 m，池内设置一排消力墩(墩高1.2 m、墩宽1.6 m、墩间距1.6 m)，池末坎顶高程8.8 m，尾坎顶宽度2 m；二级消力池尾坎下游以1∶25坡度的斜坡海漫段(水平投影长度20 m)与防冲槽连接，防冲槽顶高程8.0 m，后以1∶10反坡段与下游河床连接(见图2)。

图2 设计方案——拦河闸及其下游消能工剖面图

2.1.2 溢流坝

溢流坝段位于拦河闸段的左、右两侧，两侧长度均为45.68 m，堰型采用WES堰，堰顶高程为19.3 m，溢流坝下游底板顶高程为16.3 m，底板顺水流长10 m，底板下游末端与下游两级消力池连接。拦河闸坝左、右两岸的一级消力池尾坎末端至防冲槽首端布置5 m宽的斜坡段，斜坡段与一级消力池下游陡坡段、二级消力池、斜坡海漫段等内坡以1∶2坡度连接。

2.2 试验结果

原方案在拦河闸不同闸门开度与溢流坝联合运行时(闸上游水位Z=19.6m)，由于溢流坝泄流量较小，拦河闸两边孔出流后向左、右两侧扩散。水流沿一级消力池下游陡坡段斜向撞击两侧斜坡段的内坡，两侧斜坡段及内坡面区域的水流较集中，受其影响，二级消力池左、右两侧尾坎顶出现明显的跌流现象，流速较大，导致其下游海漫段及下游河床区域流速较大，不利于工程的安全运行(见图3)。

图3 两侧斜坡段及其内坡区域泄流流态示意图

随着上游来流的增大，溢流坝过流相应增大，水闸两边孔出流往左、右两侧扩散程度减小。由于下游水位仍然较低，在两侧斜坡段及其连接的内坡区域同样出现较明显的急流段，水流斜冲击内坡的流速约4.3 m/s～5.3 m/s；二级消力池左、右两侧的尾坎区域出现较明显的跌流现象，出池流速约3.8 m/s～4.0 m/s，两侧端防冲槽及其下游的左、右岸区域流速较大，断面流速分布不均匀，不利于工程的安全运行(见表1)。

表1 消能工原方案拦河闸坝运行流速值

3 消能工方案优化布置试验结果与讨论

3.1 优化布置方案

(1) 修改方案1：将一级消力池左、右侧各18 m长尾坎加高0.8 m(顶高程16.8 m)，尾坎顶宽为2 m(见图4)。

(2) 修改方案2：在修改方案1的基础上，将一级消力池末端左、右两侧尾坎顶加高至17.2 m高程。且在左、右两侧所增加的尾坎坡面上增加一级外凸型阶梯，并在一级消力池尾坎下游的左、两侧斜坡段上增设6级外凸型阶梯(见图5)。

图4 消能工修改方案1平面布置图

(a) 修改方案2平面图

(b) 外凸式阶梯消能工大样图

图5 消能工修改方案2布置图

3.2 修改方案1试验结果

修改方案1把原设计方案一级消力池左、右两侧尾坎抬高之后，拦河闸不同闸门开度局部开启与溢流坝运行时，削弱了拦河闸两边孔出流斜向水流撞击下游两岸侧斜坡段内坡的流量和流速，同时，从两侧尾坎顶翻越水流流量明显减小。在5孔闸闸门开度e=1.8 m的运行时(闸上游水位Z=19.6 m，闸坝联合运行)，一级消力池两侧尾坎顶流速约3.2 m/s～3.3 m/s，一级消力池下游陡坡段斜向撞击两侧内坡的流速约2.7 m/s～2.9 m/s，二级消力池左、右两侧的出池流速约2.7 m/s(见表2)。

表2 消能工修改方案1拦河闸坝运行流速值

当上游来流量Q=1 200 m3/s泄流运行时(拦河闸门全开与溢流坝联合运行)，其运行流态的与闸门开度e=1.8 m运行工况相近，一级消力池下游陡坡段斜向撞击两侧内坡的流速减小至约2.7 m/s～2.8 m/s；二级消力池出池流速减小，左、右两侧的出池流速约为2.9 m/s(见图6)。

图6 消能工修改方案1拦河闸坝泄流运行流态

3.3 修改方案2试验结果

方案2明显减轻了一级消力池下游陡坡段水流斜向撞击左、右两侧斜坡段内侧坡的现象，且消力池两侧斜坡段设置的阶梯削减了斜坡段的流速，减轻了下游海漫段和防冲槽的消能压力，有利于工程的安全运行(见表3和图7)。

(1) 拦河闸闸门开度e≤0.6 m运行时，由于一级消力池水面低于左、右两侧尾坎顶高程，加高的尾坎顶无溢流，拦河闸两侧边孔出流斜向水流对其下游两侧边坡的撞击作用甚微。

(2) 拦河闸闸门开度e=1.8 m运行时，一级消力池内水位约17.9 m，漫越一级消力池左、右两侧高尾坎的水深约0.7 m，一级消力池左、右两侧高坎出流斜向撞击下游两侧内坡的流速约1.9 m/s～2.1 m/s。二级消力池尾坎顶(桩号0+091.50)左、右两侧出流流速分别约2.1 m/s和2.3 m/s，下游河道(桩号0+140)两侧区域流速为1.5 m/s～1.7m/s。

表3 消能工修改方案2拦河闸坝运行流速值

(3) 上游来流量增大、拦河闸闸门全开与溢流坝运行时(泄流量Q=800 m3/s和1 200 m3/s，闸下游水位分别为13.42 m和14.57 m)。一级消力池水面高于加高的尾坎顶，水流漫越坎顶沿斜坡段下泄，斜坡段的阶梯增加了泄流消能率，二级消力池尾坎顶出流流速约为2.1 m/s～2.5 m/s。

(4) 上游来流量为Q=1 860 m3/s(P=5%、闸下游水位为16.2 m)运行时，随着泄流量增大，溢流坝泄流量相应增大，左、右两侧的溢流坝堰面末端偶有水流起挑现象，拦河闸两边孔出流往左、右两侧扩散程度减小。一级消力池水深增大，一、二级消力池的水位差减小，二级消力池水深加大，水流消能率增加，二级消力池出流较平顺与下游河道水流衔接。

(5) 上游来流为设计洪水频率流量(P=2%、Q=2 300 m3/s)运行时，左、右两侧的溢流坝下游末端水流略起挑，一级消力池左、右两侧水流波动较中间的拦河闸段稍大。

图7 消能工修改方案2拦河闸坝泄流运行流态(拦河闸e=1.8 m)

3.4 讨论

在拦河闸闸门局部开启和全开运行时，消能工初选方案泄流经一级消力池后，沿一级消力池下游陡坡段斜向撞击两侧斜坡段内侧坡，斜坡段及内坡面区域的水流较集中，二级消力池左、右两侧尾坎顶出现较明显的跌流现象，出池流速较大，导致其下游左、右两侧海漫段及下游河床区域流速较大，不利于工程的安全运行。

消能工一级消力池末端左、右两侧尾坎顶加高特别是抬高1.2 m后，一级消力池出流斜向撞击两侧斜坡段的流速明显减小，二级消力池尾坎区域的跌流现象减弱。消能工修改方案1将一级消力池末端左、右两侧尾坎顶加高至16.8 m高程(长度分别为18 m)，一级消力池出流斜向撞击两侧斜坡段的流速明显减小，二级消力池尾坎区域的跌流现象减弱。

消能工修改方案2将一级消力池末端左、右两侧尾坎顶加高至17.2 m高程(加高的尾坎长度分别为18 m)，在左、右两侧所增加的尾坎坡面上增加一级外凸型阶梯，并在一级消力池尾坎下游的左、右两侧斜坡段上增设6级外凸型阶梯(见图4)。该方案明显减轻了一级消力池下游陡坡段水流斜向撞击左、右两侧斜坡段内侧坡的现象，且消力池两侧斜坡段设置的阶梯削减了斜坡段的流速，减轻了下游海漫段和防冲槽的消能压力，有利于工程的安全运行。修改方案2在左、右两侧所增加的外凸型阶梯消力池两侧斜坡段设置的阶梯有助于泄流的湍流的发展，加快能量耗散、减小斜坡段的水流流速，从而减轻了下游海漫段和防冲槽的消能压力。

4 结论

本文通过试验研究了拦河闸坝及其消能工运行的水力特性，妥善解决拦河闸坝下游消能防冲的问题，为工程设计和运行提供科学依据。

试验原设计方案存在一级消力池下游陡坡段斜向撞击两侧斜坡段内侧坡，斜坡段及内坡面区域的水流较集中，二级消力池左、右两侧尾坎顶出现较明显的跌流现象，出池流速较大，且其下游左、右两侧海漫段及下游河床区域流速较大，不利于工程的安全运行。试验通过在一级消力池末端左、右两侧尾坎顶高程增加和一级消力池尾坎下游两侧斜坡段上设置外凸型阶梯，有效的降低了消力池出流斜向撞击两侧斜坡段的流速，减轻了一级消力池下游陡坡段泄流斜向撞击左、右两侧斜坡段内侧坡的现象，且消力池两侧斜坡段设置的外凸型阶梯削减了斜坡段的流速，减轻了下游海漫段和防冲槽的消能压力，有利于工程的安全运行，建议工程设计采用。

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Experiments on Optimal Layout of Energy Dissipation of Low Head Sluice Reconstruction Project

CHEN Zhuoying1,2,3, NI Peitong1,2,3

(1.GuangdongProvincialWaterConservancyandHydropowerResearchInstitute,Guangzhou,Guangdong510630,China;2.HydrodynamicResearchKeyLabofGuangdongProvince,Guangzhou,Guangdong510630,China;3.State-provinceJointEngineeringLaboratoryofEstuarineHydraulicTechnology,Guangzhou,Guangdong510630,China)

Gongqing River dam is a typical low-head water control project. Its the right bank which was found in danger situation in recent years because of sand extraction in the downstream. The physical model was built to study the hydraulic characteristics of the dam and solve the problem of energy dissipation and erosion prevention in the downstream. The results shows that by increasing the elevation of end sill at right and left sides of the first stilling pool and arranging convex type ladder on both sides at end of the first stilling pool, the stilling basin flow, the oblique flow hitting the left and right sides of the slope section in slope, the convex step cut slope flow and the velocity of downstream apron can all be effectively reduced.

Gongqing River dam; energy dissipater; convex type ladder; experiments

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.009

2016-12-06

2017-01-22

广东省水利科技创新项目(2016-12)

陈卓英(1973—)，女，广东四会人，高级工程师，主要从事水工水力学方面的工作。E-mail: 576353001@qq.com

倪培桐(1971—)，男，山东泰安人，高级工程师，主要从事水力学数值模型方面的工作。E-mail: 69383183@qq.com

TV135

1672—1144(2017)02—0049—06