揭西县塔头拦河闸重建工程消能试验研究

钟勇明，付 波，黄智敏

(广东省水利水电科学研究院，广州 510635)

1 工程概况

揭西县塔头拦河闸工程位于榕江一级支流五经富水下游，左岸与东园镇相连，右岸与塔头镇接壤，距县城约42 km。揭西县塔头拦河闸是一座以引水灌溉为主，兼有发电、交通及远期供水等综合效益的Ⅱ等大(2)型水利枢纽工程。原塔头拦河闸工程于1960年建成投入使用，运行至今已50多a，受资金、材料、设计标准和施工条件等限制，工程结构老化残旧，已不堪重负，存在安全隐患，严重影响工程的安全运行。2001年3月经鉴定，塔头拦河闸为4类闸，需拆除重建[1]。揭西县塔头拦河闸设计洪水频率为30年一遇(P=3.33%)，泄洪流量为2 800 m3/s；校核洪水频率为100年一遇(P=1%)，泄洪流量为3 470 m3/s，拦河闸上游正常蓄水位为7.95 m(珠基，下同)，下游采用底流消能工形式。

2 拦河闸下游消能工设计方案试验

2.1 方案布置

揭西县塔头拦河闸重建工程主要建筑物包括拦河闸、船闸、左右岸堤防、东西干渠进水涵等(见图1)。拦河闸布置共12孔，单孔净宽为12 m，泄流总净宽为144 m，闸室采用开敞式，堰型为平底宽顶堰；拦河闸闸室堰顶高程为4.25 m，闸室堰顶长为20 m，闸室堰顶下游末端以1:4坡度与消力池连接；消力池水平段池长为15.8 m，池底板高程为2.6 m，池深为1.65 m，池末尾坎顶高程为3.2 m；尾坎末端连接5 m长的水平海漫段(高程为2.6 m)，后接1:15坡比的斜坡海漫段，斜坡海漫段水平投影长为30 m，末端设顶高程为0.6 m的抛石防冲槽；防冲槽末端以1:5反坡接原河床(见图2～图3)。

图1 塔头拦河闸重建工程枢纽平面布置(单位：m)

图3 拦河闸及下游消能工设计方案布置示意(单位：m)

2.2 模型试验及泄流组次

拦河闸水工断面模型按佛劳德重力相似律设计为正态，模型几何比尺为39.2，根据本工程拦河闸的运行方式[1]，确定拦河闸消能运行试验组次[2-3](见表1)。

表1 拦河闸模型试验主要水文组次

1) 当上游洪水来流量较小时，保持拦河闸上游为正常蓄水位(7.95 m)的情况下，水闸门局部开启运行，通过调控开启闸孔数及闸门开度来泄洪，闸门分档高度为e=0.2 m；

2) 当上游洪水来流量Q>230 m3/s时，闸门全开运行，下泄各种洪水频率的流量。

2.3 试验成果及分析

根据工程设计提供的水文资料[1]，进行了闸门局部开启运行的试验。在维持闸上游为正常蓄水位7.95 m条件下，拦河闸分别进行了12孔闸不同闸门开度的泄流运行试验。

在闸门开度e=0.2 m、对应下游初始水位(Z下=3.2 m)运行时，由于水闸下游水位较低，出池水流无法与下游河道水流正常衔接，消力池尾坎和水平海漫段形成较明显的跌流和急流，出池流速较大值约2.6 m/s，并在下游斜坡海漫段形成二次水跃，易对下游海漫段产生冲刷破坏，不利于工程的安全运行；在闸门开度e=0.4 m初始泄流(Z下=3.66 m)运行时，出池水流无法与下游河道水流正常衔接，消力池尾坎和水平海漫段仍形成较明显的跌流和急流，出池流速较大值约3.8 m/s，并在下游斜坡海漫段形成二次水跃。

设计方案模型验表明：在各闸门开度运行工况下，出闸水流呈自由出流状，消力池内水流不稳定，出闸水流易在消力池内形成左、右摆动的折冲水流，并形成立轴回流，消力池内水流消能率较低；设计方案的下游消力池尾坎过高，在闸门开度e=0.2 m 和0.4 m泄流运行时，出池水流不能与下游河道水流正常衔接，出池水流形成较明显的跌流和急流，并在下游斜坡海漫段形成二次水跃，易对下游海漫段产生冲刷破坏。因此，需要对设计方案下游消能工进行修改和优化。

3 方案修改

针对设计方案拦河闸闸门局部开启运行时消力池尾坎和下游海漫段出现的不良流态问题参见文献[4-12]，方案修改的思路为：通过适当降低消力池池底及尾坎顶高程，消除消力池尾坎出流的跌流、下游海漫段的急流和二次水跃，改善消力池出池流态，使出池水流较平顺地与下游河道水流衔接。

4 拦河闸下游消能工推荐方案及试验成果

4.1 方案布置

经多方案的修改试验比较，模型试验优化了消能工的体型和尺寸，形成以下推荐方案。

1) 将消力池池底高程由设计方案的2.6 m降低至1.4 m，池长仍为15.8 m，相应将闸室堰顶末端与消力池连接的陡坡段水平长度增加4.8 m。

2) 将消力池末端尾坎顶高程由设计方案的3.2 m降低至2.2 m，尾坎宽度为2.0 m，尾坎末端以1:15斜坡海漫段与防冲槽相接，防冲槽顶高程0.0 m。

3) 为了减弱消力池内水流波动，改善消力池内折冲水流及回流漩滚的现象，在消力池首端(桩号0+036.40)设置1排消力墩，消力墩墩高为1.0 m，墩宽为1.6 m，墩之间的净间距为1.6 m(见图4)。

图4 拦河闸及下游消能工推荐方案布置示意(单位：m)

4.2 试验成果

4.2.1闸门局部开启试验

1) 在闸门开度e=0.2 m和0.4 m初始泄流时，闸下游水位仍较低(e=0.2 m初始泄流的闸下游水位为3.20 m，e=0.4 m初始泄流的闸下游水位为3.66 m)，出闸水流呈自由出流状，消力池出池流态较修改方案有明显改善，但消力池尾坎仍然形成轻微的跌流，池末尾坎顶底流速分别约2.1 m/s和2.4 m/s(见表2)。

表2 设计、推荐方案消力池尾坎顶流速比较

2) 拦河闸各开度(e=0.2 m和0.4 m)泄流稳定后，闸下游水位相应抬高，消力池内水流更平稳，出池流速降低(出池底流速分别降至约1.3 m/s和1.6 m/s)，出池水流较平顺与下游河道水流衔接(见表2)。

3) 各级闸门开度泄流运行时，闸下游水跃均发生在消力池内，在闸门开度e=0.4 m泄流的工况下，其跃尾约在桩号0+040处，因此，消力池长度满足运行的要求。

4.2.2闸门全开泄流运行试验

当拦河闸上游来流量Q>230 m3/s时，电站不发电，拦河闸12孔闸门全开泄流运行，下泄各种频率的洪水流量。根据工程设计提供的闸址水位～流量关系曲线，选用下游河床下切3 m工况的水文条件进行试验：

1) 闸门全开泄流运行时，拦河闸上、下游水位差减小，在Q=230 m3/s运行时，消力池内形成较稳定水跃；在Q≥500 m3/s运行时，闸下游消力池出现波流状流态，消力池内水流较稳定；消力池下游海漫段末端的下游河道流态接近于天然河道的流态，对下游河道河床不会产生较明显的冲刷。

2) 在洪水流量Q=230 m3/s运行时，拦河闸为自由出流，消力池内形成较稳定水跃，其跃尾约在桩号0+031处，出池水流较平顺与下游河道水流衔接；测试的消力池末端尾坎顶底流速约1.0 m/s，防冲槽区域底流速约0.5 m/s(见表3)。

3) 在洪水流量Q≥500 m3/s运行时，拦河闸为淹没出流。拦河闸下游呈波流状；在Q=500 m3/s和Q=1 000 m3/s运行时，测试的消力池末端尾坎顶和防冲槽区域底流速分别约为1.5～2.0 m/s和0.7～1.2 m/s(见表3)。

4) 在2年一遇至设计洪水频率(P=3.33%)流量泄流运行时，拦河闸泄流单宽流量增大，消力池内水流波动增大，测试的消力池末端尾坎顶和防冲槽区域底流速分别约为2.1～2.6 m/s和1.4～2.0 m/s(见表3)。

5) 在100年一遇校核洪水频率(P=1%)流量泄流运行时，测试的消力池末端尾坎顶底流速约2.8 m/s，防冲槽区域底流速约2.3 m/s(见表3)。

表3 闸门全开泄流的试验组次及成果(下游河床下切3 m运行水位)

4.2.3拦河闸泄流能力试验

采用工程设计提供的现状闸下游水位～流量关系，水工模型试验测试了12孔拦河闸闸门全开泄流的泄流能力(见表4)。在泄放设计洪水频率(P=3.33%)和校核洪水频率(P=1%)洪水流量时，测试的拦河闸上游水位分别为12.81 m和13.52 m,比设计值(12.90 m和13.65 m)分别降低了0.09 m和0.13 m，满足工程设计要求。

表4 闸门全开泄流能力试验成果

5 结语

针对塔头拦河闸设计方案存在的问题，模型试验优化了消能工的体型和尺寸。试验表明：① 将消力池池底、尾坎顶和防冲槽高程分别降低之后，明显改善了消力池出流流态，在闸上游为正常蓄水位、闸门开度e=0.2 m和e=0.4 m初始泄流运行时，消力池尾坎顶仍然形成较轻微的跌流，随着闸下游水位逐渐上升，跌流逐渐消失；② 优化了拦河闸下游消力池的布置和体型尺寸，在闸上游为正常蓄水位(Z=7.95 m)、闸门局部开启运行条件下，拦河闸下游消力池可形成较稳定的水跃，拦河闸泄流经消力池消能后，并经下游海漫段调整流速分布、消减部分余能后，可减轻对下游河床及两岸坡的冲刷；③ 闸门全开泄流运行时，拦河闸上、下游水位差减小，消力池内水流较稳定，出池水流平顺与下游河道水流衔接，消力池下游海漫段末端的下游河道流态接近于天然河道的流态，对下游河道河床不会产生较明显的冲刷。