东山拦河闸下游消能工加固改造研究

黄智敏，陆汉柱，付　波，钟勇明

(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)



东山拦河闸下游消能工加固改造研究

黄智敏，陆汉柱，付波，钟勇明

(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)

摘要：东山水利枢纽拦河闸下游消力池遭受破坏，且下游河道河床下切、水位明显降低，严重影响工程的安全运行。为了解决工程存在的问题，拟在已破坏的消力池改造的基础上，在其下游修建二级消力池。根据拦河闸加固改造工程设计的闸址下游河道水位与流量关系资料，对拦河闸加固改造的下游两级消力池体型和消能特性进行分析和水力计算，提出了消力池的布置方案。研究提出的加固改造两级消力池方案经水力模型试验验证是合理的，其成果可供类似工程设计参考。

关键词：拦河闸；消力池；改造；消能

1　工程概况

东山水利枢纽工程为Ⅰ级大(1)型工程，工程位于广东省丰顺县境内的韩江干流上，是一座具有防洪、发电、航运、供水和灌溉等综合效益的枢纽工程。

东山水利枢纽工程现布置19孔拦河水闸，单孔闸净宽14 m，中墩和缝墩厚各为2.5 m和3 m，闸室泄水总净宽为266 m、总宽度为318.5 m。水闸溢流堰型为平底宽顶堰，堰顶高程为15.5 m(珠基高程，下同)，闸室堰板末端以1∶4的斜坡段与下游消力池连接；消力池池底高程为12.5 m，水平段池长26 m，池深1.5 m，池末尾坎顶高程14.0 m；消力池尾坎末端接15 m长水平海漫段后，再接坡度为1∶15的斜坡海漫段，斜坡海漫段末端接防冲槽(见图1)。

图1东山水闸下游消能工现状布置剖面图(单位：m)

根据工程设计资料，枢纽坝址控制集水面积27 502 km2，枢纽工程正常蓄水位为25.5 m，设计洪水频率为50 a一遇(P=2%)，相应泄洪流量Q=15 431 m3/s；校核洪水频率为200 a一遇(P=0.5%)，相应泄洪流量Q=18 807 m3/s。

东山拦河闸于2008年7月建成投入运行。2013年4月底，拦河闸开闸泄洪期间，其4#～13#闸孔的闸室下游斜坡段和消力池产生不同程度的破坏，斜坡段和消力池底板开裂、不均匀沉降、错缝上突等，严重影响工程的安全运行，其原因初步分析为拦河闸闸室上游防渗设施部分失效、闸室下游消力池底板部分排水孔堵塞等，后经初步加固处理。

为了确保东山拦河闸下游消能工安全运行，需对拦河闸下游消能工进行加固改造。本文根据工程设计提供的闸址水位～流量关系，对东山拦河闸加固改造工程下游两级消力池体型和消能进行计算和试验论证，供类似工程设计和运行参考。

2　闸址水文条件选取

近年来，由于东山拦河闸下游河道人为无序采沙现象较为严重，导致闸下游河道河床下切、水位降低较明显。根据近期的实测资料和分析，在中小洪水流量泄流运行时，现状的水闸下游河道水位比2005年的东山拦河闸可行性研究阶段的闸址下游河道水位相应降低约1 m。因此，在本次加固改造工程设计中，综合考虑现状的闸址下游水位与流量关系、未来的河床下切和水位下降的可能性等，将东山拦河闸可行性研究阶段(2005年)的闸址下游河道水位～流量关系下降约1 m～3 m考虑(见图2)。

图2东山水闸加固工程闸址Z—Q关系曲线

3　拦河闸下游消能工加固改造思路和布置

(1)加固工程拟对水闸中间的4#～12#闸孔下游消能工进行加固改造，其两侧以导墙与左、右两端闸孔下游消能工分隔。工程运行中，先开启加固工程的4#～12#闸孔泄流运行，待闸下游水位上升之后，再开启其余两侧的10孔闸泄洪运行。

(2)在加固改造的9孔闸下游消力池底扳(高程12.5 m)上浇筑一层钢筋混凝土进行加固，然后将消力池末端尾坎适当加高，形成一级消力池。

(3)在加固改造的9孔闸一级消力池下游修建二级消力池，进一步消除一级消力池出流的能量，以确保工程运行的安全。

4　一级消力池加固改造布置和计算

4.1消力池底板加固改造

经结构计算和分析，在现状消力池底扳(高程12.5 m)上浇筑一层厚0.8 m钢筋混凝土进行加固，加固改造后消力池池底高程为13.3 m，消力池底板上游端以1∶5.91的斜坡段与闸室堰板下游末端连接(见图3)。

图3东山水闸加固工程下游两级消力池布置示意图(单位：m)

4.2消力池尾坎高度T和池长L确定

水闸下游河道水位降低之后，在闸上游为正常蓄水位、闸门局部开启控泄运行时，一级消力池尾坎出流多为自由出流。根据文献[1]等试验成果，一级消力池布置要求为：池末端尾坎前缘水深(T+h)应略大于跃后水深h2，若(T+h)/h2=1.1～1.2，则水平段池长L与水跃长度Lj之比L/Lj=1～0.95 ；若(T+h)/h2=1.2～1.3 ，则水平段池长L可缩短为约(0.95～0.85)Lj(见图4)。

图4一级消力池体型和水力参数示意图

通常，一级消力池尾坎高度T和池长L随水闸泄洪流量增大而增加，当东山水闸19孔闸闸门全开泄洪时(Q≥4 200 m3/s)，水闸上、下游水位差ΔZ较小(ΔZ<0.35 m)，一级消力池内无明显的水跃，水流为波状流流态，因此，一级消力池尾坎高度T和池长L应由水闸上游水位为正常蓄水位、闸门局部开启运行的最不利工况来确定。本文以东山水闸上游水位25.5 m(正常蓄水位)、闸门局部开启最大开度e=2.0 m的加固工程9孔闸泄流运行条件，计算一级消力池尾坎高度T和水平段池长L(见表1)。由表1可见，取消力池尾坎高度T=2.2 m，计算得尾坎顶水深h=4 m，则有(T+h)=1.07h2。

表1　加固工程一级消力池尾坎高度T计算

由有关文献[2-4]，可计算水跃跃长Lj=6.9(h2-h1)=33.7 m。由于已有(T+h)=1.07h2，可取一级消力池水平段池长L=Lj=33.7 m；为了缩短一级消力池池长，在池内没置一排消力墩(墩高2.3 m、墩宽和墩间距均为2 m)，将消力池水平段长度L减短为24 m(24/33.7=0.712)。因此，将现状一级消力池末尾坎顶加高至15.5 m高程(尾坎顶厚度取3 m)，其下游以1∶3坡度斜坡段与二级消力池连接(见图3)。

5　二级消力池布置和计算

5.1消力池末尾坎顶高程确定

首先，根据水闸闸址下游水位与流量关系，在满足二级消力池出流与下游河道水流为缓流衔接和出池流速限值的条件下，先初拟二级消力池末端尾坎顶高程，然后再计算出二级消力池池深和池长[5-7]。

由于小流量相应的拦河闸下游河道水位较低，且下游河道水位随泄流量的增加上升较快，为了确保二级消力池出流与下游河道水流为缓流衔接，以拦河闸上游正常蓄水位25.5 m、加固工程9孔闸的第1档闸门开度e=0.25 m初始泄流条件(消力池单宽流量q=2.05 m3/s·m、闸下游初始水位Z=12.2 m)，初拟二级消力池尾坎顶高程为11.2 m，则可计算出二级池尾坎顶水深t=1.0 m、尾坎顶断面平均流速V=2.05 m/s、尾坎出流佛劳德数Fr=0.65；其余各级闸门开度e运行的二级消力池出流与下游河道水流衔接均为缓流衔接。

5.2消力池池深和池长确定

根据水闸运行不同泄洪流量的组合，计算出各运行组次的消力池池深，选其最大值Sm为池深[8-14]。本文以加固工程9孔闸在闸上游正常蓄水位25.5 m、不同闸门开度e泄流运行的工况，计算二级消力池的池深和池长，计算方法为：① 以一级消力池尾坎高度T=2.2 m，计算其尾坎顶全水头h0，然后计算出二级消力池底的总水头E1；② 由消力池有关的水力计算公式[2-4]，计算出消力池池深S和池长L。

由表2可见，在加固改造工程9孔闸闸门开度e=0.25 m初始泄流运行工况下(闸下游水位Z=12.2 m)，计算的二级消力池池深最大值Sm=0.92 m。经综合分析消力池运行水力条件、工程施工和投资等，二级消力池池深选用为0.8 m，池底板高程为10.4 m(见图3)。

表2　加固工程二级消力池池深S值计算

注：水跃淹没度σ取1.05；在e=2.0 m的组次计算中，取池底高程10.4 m。

在拦河闸全部19孔闸闸门全开泄流运行时(Q≥4 200 m3/s)，水闸上、下游水位差较小，二级消力池的水流基本恢复天然河道流态，因此，可采用加固改造工程9孔闸闸门局部开启控泄的最大闸门开度e=2.0 m(闸上游水位为25.5 m)泄流工况，计算二级消力池水平段池长。由表2可计算出二级消力池水跃跃长Lj=28.64 m，可取其水平段池长L=0.7Lj=20.05 m(实际选用池长20 m，见图3)。

6　水力模型试验论证

对图3的东山拦河闸加固改造工程(4#～13#闸孔)下游消能工布置进行水力模型试验[15]，验证了本文计算拟定的拦河闸加固改造工程下游两级消力池布置和体型是合理的。试验表明：

(1)在4#～13#闸孔闸门局部开启的各级闸门开度e(e=0.25 m～2.0 m，闸上游水位25.5 m)泄流运行条件下，水闸泄流在其下游两级消力池内形成稳定的水跃，池内水流消能较充分，二级消力池出流较平顺与下游河道水流衔接。

(2)为了优化拦河闸各闸孔的调度运行、确保拦河闸枢纽工程的安全，当4#～13#闸孔闸门开度e=0.75 m泄流运行稳定之后，闸下游河道水位约15.4 m，若闸上游河道洪水流量继续增加，此时可将两侧10孔闸闸门开启至第一档开度e=0.25 m运行，然后交错先开启4#～13#闸孔、后开启两侧10孔闸运行(每一级闸门开度间距Δe=0.25 m)，直至将19孔闸闸门开度全部开启至e=2.0 m(Q=4 203 m3/s)运行；然后再将19孔闸闸门逐渐全开泄流运行。

7　结　语

东山拦河闸下游消力池运行遭受破坏及下游河床下切、水位明显降低之后，迫切需进行加固改造，加固改造比选方案之一是在现状消力池加固改造基础上，在其下游修建二级消力池。本文根据拦河闸加固改造设计的闸址下游河道水位与流量关系资料，对拦河闸下游两级消力池的体型和消能进行分析和计算，初拟出下游两级消力池的布置和体型，并经水力模型试验证明是合理的。本文成果可供类似工程建设参考。

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StudyontheRebuildingofDongshanBarrageDownstreamEnergyDissipator

HUANG Zhi-min，LU Han-zhu,FU Bo,ZHONG Yong-ming

(GuangdongKeyLaboratoryofHydrodynamics,GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Guangzhou,Guangdong510635,China)

Abstract：Owing to the damage of the downstream stilling basin of Dongshan water control project barrage,the riverbed entrenchment，and the significant degradation of the downstream river water-level,the safe operation of the project is affected seriously.In order to solve these engineering problems,on the basis of the transformation of the damaged stilling basin,a secondary stilling basin was built at its downstream.Based on the data of the relationship between the downstream river water-level of the barrage site and discharge capacity of the project design,the configuration and energy dissipation characteristics of two stage stilling basins in the rebuilding design were analyzed and calculated hydrodynamically,moreover the arrangement scheme of the stilling basins was put forward.The rationality of the two stage stilling basin scheme was verified through hydraulic model tests.The study result will provide references for similar engineering designs.

Keywords：barrage;stilling basin;transformation;energy dissipation

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.034

中图分类号：TV653+.1

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0168—04

作者简介：黄智敏(1957—)，男，广东惠州人，教授级高级工程师，主要从事水工水力学及河流动力学研究工作。

收稿日期：2014-08-11修稿日期：2014-09-09