山区水闸运行方案对下游消能防冲影响分析

王 琼，温达文，李俊楠

（1.广州市水务规划勘测设计研究院有限公司，广州 510640；2.广州市增城区水务建设管理所，广州 511399）

山区性河道河水陡涨陡落，水闸往往具有流量大的特点，容易造成水闸下游消能防冲设施的冲刷破坏[1～3]。水闸不同的调度运行方案对下游消能防冲设施的尺寸设计要求不同[4～6]，可通过控制水闸调度运行方案减小消能防冲设施尺寸，从而合理降低工程造价[7～9]。本文以正果拦河闸为例，通过水工模型试验，研究水闸不同调度运行方案对下游消能防冲的影响。

1 工程概况

增江发源于广东省新丰县七星岭，河流长度为203 km，主流自北向南流经从化、龙门、增城，在增城区的观海口处汇入东江北干流，进入东江三角洲地区。增江流域面积呈狭长扇形，总集雨面积为3160 km2，多年平均径流深1511 mm，多年平均径流量为47.74亿m3。

正果拦河闸位于增江中下游，闸上集雨面积为2275 km2。拦河闸以灌溉、供水为主，以发电、通航、改善水景观为辅，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（1）型，设计洪水为20 a 一遇，设计洪峰为3056 m3/s，校核洪水标准为50 a一遇，校核洪峰为3715 m3/s。

根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）及相关工程经验，正果拦河闸设计如下：闸长168.0 m，共9孔，每孔净宽16.0 m，每孔各设1扇上翻式平面钢闸门，闸门尺寸为16.0 m×5.7 m（宽×高）；闸室顺水流方向长30.0 m；闸底板高程7.60 m（珠基高程，下同），闸顶高程20.00 m；水闸边墩厚2.0 m，中墩厚2.0 m，每两孔设一缝墩，缝墩厚3.0 m；水闸上下游两端均设检修门槽；上游布置工作桥，工作桥兼做交通桥，双向两车道，桥面宽8.0 m；工作桥下游布置人行廊桥，廊桥总宽8.0 m。闸室上游铺盖长10.0 m；闸室下游消能防冲段依次布置有钢筋混凝土消力池、混凝土海漫和抛石防冲槽，其中消力池段长30.0 m，深1.5 m，海漫长45.0 m，抛石防冲槽长5.0 m。正果拦河闸特征水位见表1。

表1 正果拦河闸特征水位

2 水工模型试验

结合工程自然条件及设计方案，采用正态模型，整体模型几何比尺为1∶50，其他相关水力学参数的比尺分别为：

流速比尺：Vr=500.5=7.071

流量比尺：Qr=502.5=17 677.670

时间比尺：Tr=500.5=7.071

糙率比尺：nr=501/6=1.919

为了保证拦河闸进流相似性，上游河道地形模拟至距离水闸进口约350 m，下游河道模拟至弯道下游约1000 m 处，两岸模拟至高程约22 m 以下。整个模型包括供水系统、量水控制系统、模型试验段、回水系统等。闸室及河道断面表面流速和底流速采用旋桨流速仪管测量。水工模型见图1，流速测点布置见图2。

图1 水工模型

图2 流速测点布置

3 运行方案

根据正果拦河闸调度需求，正常情况下，上游维持正常蓄水位13.0 m 不变，来多少泄多少（包括发电引水流量）；随着来水量的增加，闸前水位上升超过13.0 m 时，开闸泄水，使闸前水位控制在13.0 m；当水位回落至13.0 m 时，逐渐关闭闸门，闸前水位保持在正常蓄水位13.0 m。

结合调度需求及水闸布置，拟定以下两种运行方案：

（1）水闸对称单孔全开方案。来水量增加，闸前水位上升超过13.0 m 时，开启中间孔闸门，使闸前水位控制在13.0 m，若来水量继续增大，则闸从中间孔向两边对称逐渐开启，直至全开，达到最大泄洪能力；当水位回落至13.0 m 时，根据后开先关的原则，逐渐关闭闸门。使汛末闸前水位保持在正常蓄水位13.0 m。试验工况为分别对称开启1 孔、3孔、5孔、7孔、9孔闸门。

（2）水闸均匀开启方案。通过闸门开度调节下泄流量，每个开度为0.5 m，共10 个开度。具体调度过程为维持上游正常蓄水位13.0 m 不变，随着上游来水量的增加，闸前水位上升超过13.0 m 时，9 孔闸同时开启1 个开度（0.5 m），使闸前水位控制在13.0 m，若来水量继续增大，闸前水位继续上涨，则9 孔闸继续开启2 个开度，直至全开，达到最大泄洪能力；当水位回落至13.0 m 时，逐渐关闭闸门。使汛末闸前水位保持在正常蓄水位13.0 m。

4 不同运行方案对下游消能防冲影响分析

4.1 水闸对称单孔全开方案

水闸对称单孔全开方案下游流态见图3，流速统计见表2。

表2 水闸对称单孔全开方案流速统计表

图3 水闸对称单孔全开方案下游流态

4.2 水闸均匀开启方案

水闸均匀开启方案下游流态见图4，流速统计见表3。

表3 水闸均匀开启方案流速统计表

海漫中部抛石防冲槽3.5 4.0 4.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 3.67 3.00 4.41 1.79 1.70 2.78 2.72 2.36 2.33 2.65 2.97 3.29 1.31 1.76 1.47 2.17 2.21 2.27 2.33 2.65 3.00 3.16 3.29 2.97 1.63 1.37 2.05 2.17 2.46 2.43 2.43 3.13 2.75 0.83 0.84 1.41 1.82 2.08 2.37 2.33 2.69 2.72 3.26 2.84 3.67 1.66 1.54 2.72 2.52 2.53 2.62 2.72 2.75 3.35 0.90 1.54 1.73 2.53 2.14 2.11 2.62 2.40 2.94 2.84 3.13 3.26 1.44 1.28 2.40 2.17 2.68 2.59 2.53 3.10 3.20 0.52 0.93 1.95 1.76 2.05 2.24 2.43 2.85 3.00 3.16 3.45 4.22 1.54 1.50 2.14 2.68 2.65 2.75 2.81 3.07 3.29 0.99 1.44 1.18 1.89 1.70 2.24 2.56 2.75 3.16 2.97 3.42 4.09 1.03 1.60 1.76 2.68 2.81 2.88 2.75 3.16 3.29 0.87 1.18 1.25 2.21 2.37 2.21 2.56 2.78 3.10 2.94 3.19 4.02 0.42 1.22 2.59 2.46 2.69 2.3 2.24 2.53 3.42 0.80 1.34 1.57 1.70 1.63 2.11 2.11 2.68 2.94 3.64 3.16 3.00 0.93 2.11 2.56 2.72 2.72 2.43 2.43 1.98 2.40 0.8 1.09 1.22 1.66 2.59 2.02 1.79 1.95 2.05 3.21 3.19 3.71 1.31 1.54 2.37 2.52 2.61 2.54 2.57 2.84 3.12 0.88 1.26 1.47 1.97 2.09 2.19 2.34 2.59 2.86

图4 水闸均匀开启方案下游流态

4.3 对下游消能防冲影响分析

（1）水闸对称单孔全开方案，主流集中在开启闸孔对应的河道位置，对冲下游，闸下游近岸两侧有明显回流出现；随着开启闸孔数增加，水流趋于均匀，开启9孔时，水流均匀。

（2）水闸对称单孔全开方案，对应的消力池水中部、消力池尾坎、海漫中部及抛石防冲槽位置处的底部流速大值范围分别为2.43～9.63 m/s、4.23～6.79 m/s、2.53～8.34 m/s 及1.58～3.64 m/s。其中，消力池中部起点最大流速出现在1 孔全开工况，消力池尾坎最大流速出现在3 孔全开工况，海漫中部最大流速出现在1孔、3孔全开工况，抛石防冲槽最大流速出现在5孔全开工况。

（3）水闸对称单孔全开方案，海漫及抛石防冲槽流速过高，对下游防冲极为不利，需增加防冲刷措施，将增大工程造价。

（4）水闸均匀开启方案，不同开度条件下，水流流态总体平稳、顺畅。在小开度（＜1.5 m）条件下，闸下游消力池内产生水跃，且水跃头部位置随开度增加向上游移动，开度为0.5、1.0、1.5 m 时，对应的水跃长度（距离下游墩尾距离）分别为7.5、5.0、3.3 m。而开度达2.0 m时，下游无明显水跃现象发生。

（5）水闸均匀开启方案，不同开度条件下，闸下游水流断面流速分布较均匀，其中消力池中部、消力坎、海漫中部及抛石防冲槽位置处的底部最大平均流速分别为3.64、4.10、3.12、2.86 m/s。

（6）水闸均匀开启方案，设计方案满足消能防冲要求。

（7）对比以上两种运行方案，水闸均匀开启方案消力池水跃形态明显、各断面流速分布均匀，海漫及抛石防冲槽底部流速明显降低。建议采用水闸均匀开启方案。

5 结论

本文通过水工模型试验，研究正果拦河闸水闸对称单孔全开方案和均匀开启方案对下游消能防冲的影响，结果表明：均匀开启方案水跃形态明显，各断面流速分布均匀，有效降低下游流速，在同等条件下有利于消能防冲、降低工程造价。