高岭拦河闸重建工程消能试验研究

高岭拦河闸重建工程消能试验研究

罗林熙，陆汉柱，罗 岸，朱红华

(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：通过对高岭拦河闸重建工程的消能试验，提出了将拦河闸消力池按2种形式分区布置的方案，利用该方案中池底高程相对较低的中间单元消力池承担拦河闸的初始泄流任务，较好地解决了在设计方案布置泄放小流量时存在的消力池消能不足的问题。该方案不仅满足了拦河闸的消能要求，又节省了工程投资，可为同类工程的设计提供借鉴。

关键词：消力池；初始泄流；跌水；急流；泄流；消能

1 工程概况

高岭拦河闸位于广东省化州市杨梅镇高岭村东面、鉴江河下游，距化州市区约8 km。该闸建于1964年，由11孔水闸和两侧各11孔滚水坝以及船闸、提水泵房等建筑物组成。由于该工程建设年代早，设计标准过低，投入运行了近50 a，工程已经逐年老化并不断出险，已成危闸，需在原闸址上进行水闸重建。重建设计拦河闸闸孔总数为14孔，堰顶高程为4.0 m，单孔净宽为15.0 m，边墩厚度为1.5 m，中墩厚度为2.5 m，缝墩厚度为3.0 m，总挡水宽度为248.62 m(见图1)。闸下游采用底流消能方式(见图2)：闸室下游消力池池长为47.5 m，池深为2.5 m，消力池末端的尾坎顶高程为2.2 m； 消力池尾坎下游布置水平投影长度为50 m的海漫段，海漫的上游段为水平布置形式，长为15 m，顶高程为1.2 m；下游段以1 ∶20坡度相连接，水平投影长度为35 m，末端设抛石防冲槽，顶高程为-0.45 m。

图1 设计方案拦河闸平面布置(单位：m;高程：珠基)

图2 设计方案拦河闸及其下游消能工剖面示意

2 试验基础和要求

2.1 试验水文资料的选用

高岭拦河闸重建工程消能试验使用的水文资料由设计提供，其中拦河闸建成运行的消能试验选用了下游河床下切2 m的水位和流量，施工导流期间的消能试验选用了下游河床现状的水位和流量。

2.2 闸门运行的基本要求

维持闸上游正常蓄水位为8.2 m，满足当地灌溉用水的需要。当闸上游来流量致上游水位超过8.2 m时开闸泄流，以0.25 m为开度挡，闸门开度随上游来流量的增大而增大；闸门开启必须遵循对称、均匀的原则，防止集中开启；当上游来流量大于1 149 m3/s时，闸门全开泄洪。

3 设计方案试验

3.1 试验组次

根据闸门运行的基本要求，进行闸门局部开启和闸门全开运行试验。试验中，每开启一档闸门开度，都分别按初始水位(闸门上一档开度正常运行水位)和设计水位(该档正常运行水位)2种工况进行试验。

3.2 试验成果与分析

按表1所列的组次分别进行闸门局部开启和全开运行试验，试验测得的消力池及下游流速较大值列于表中。

试验观察到，拦河闸初始泄流(e=0.25 m)时，消力池尾坎出现水跌，出池水流不能与下游河道水流平顺衔接，下游海漫段约40 m长出现急流状。测得海漫斜坡段流速较大值约4.1 m/s(见图3)；运行闸门局部开启的其余组次，消力池内水流较平稳，于消力池内发生水跃，消力池尾坎出流与下游河道水流衔接较平顺。测得消力池尾坎及池后海漫段和防冲槽的流速均小于2.3 m/s；拦河闸泄放100年一遇和50年一遇洪水时，消力池内产生波状流。测得消力池尾坎及池后海漫段和防冲槽的流速均小于1.6 m/s。

试验表明：在设计方案布置下，拦河闸初始泄流时，消力池尾坎发生水跌，出池水流不能与下游河道水流平顺衔接。海漫斜坡段流速过大，极易引起海漫段的冲刷破坏，从而危及消力池及拦河闸的安全。

表1 设计方案消力池尾坎及下游流速较大值 m/s

试验组次泄水闸开度e/m孔数泄流量Q/(m3/s)上游水位/m下游水位/m下游水位特征尾坎顶流速海漫段底流速防冲槽底流速A10.253500.0初始水位2.04.12.9A20.253503.88设计水位1.10.50.5A30.57308.203.88初始水位2.20.70.6A40.5147305.2设计水位1.40.50.4A50.7510455.2初始水位2.30.80.7A60.7510455.97设计水位1.30.60.5A7全开475513.1213.04设计水位1.41.51.4A8575714.2314.16设计水位1.51.51.5

4 推荐方案试验

4.1 方案布置

在设计方案布置泄放校核洪水时，闸孔单宽泄流流量(q=27.41 m3/s)过大，因此，设计对方案布置进行了调整：维持原设计每孔闸的结构尺寸不变，闸孔孔数由14孔增加至16孔(见图4)。

图3 设计方案(水闸初始泄流、e=0.25 m)消力池流态及流速分布示意

图4 拦河闸推荐方案平面布置示意

根据设计方案布置的试验成果，通过多方案的比较试验，对调整方案的消力池布置进行了修改、优化，形成最终的推荐方案，推荐方案布置为：

把16孔闸的消力池分成2种布置形式，左侧6孔(1～6孔)和右侧5孔(12～16孔)的消力池布置同一形式，中间5孔(7～11孔)布置为另一形式。其中中间5孔的消力池的池底高程比两侧11孔低1.0 m(见图5)。左侧6孔和右侧5孔的消力池布置：消力池总池长为42.5 m，水平段池长22.5 m，池底高程为0.0 m，池末尾坎顶高程为1.5 m，池深1.5 m；消力池后布置坡比为1 ∶30的海漫段，其水平投影长度为50.02 m，其中前段15.92 m为砼海漫，后段24.1 m为钢筋砼框格固定浆砌石海漫；海漫末端抛石防冲槽，抛石顶面高程0.167 m；防冲槽末端以1 ∶4反坡接原河床。中间5孔的消力池布置：5孔闸的两侧设置导墙，消力池总池长为42.5 m，水平段池长26.5 m，池底高程为-1.0 m；池末尾坎顶高程为0.5 m，池深1.5 m；消力池后布置坡比为1 ∶30的海漫段，其水平投影长度为40.02 m，其中前段15.92 m为砼海漫，后段24.1 m为钢筋砼框格固定浆砌石海漫；海漫末端抛石防冲槽，抛石顶面高程-0.833 m；防冲槽末端以1 ∶4反坡接原河床。

图5 推荐方案拦河闸及其下游消能工剖面示意

4.2 闸门局部开启和闸门全开运行试验

在推荐方案布置下，按表2所列组次进行闸门局部开启和闸门全开运行试验，各组次测得的消力池尾坎及下游的流速较大值列于表2中。

表2 推荐方案消力池尾坎及下游流速较大值 m/s

组次开度e/m开启闸孔试验单元泄流量Q/(m3/s)上游水位/m下游水位/m下游水位特征消力坎海漫段防冲槽B10.257～11中间单元5孔闸1268.21.0初始水位2.72.91.3B20.52612.61初始水位1.51.11.0B30.57～11左、右单元11孔闸5383.52初始水位1.20.80.80.251～6、12～16B40.51～168354.64初始水位1.10.80.6B50.58355.5设计水位0.90.50.5B60.7511845.5初始水位1.30.80.8B7全开1～16中间单元5孔闸475511.0911.04设计水位1.61.61.5B8575712.2012.161.81.71.6

针对设计方案存在的拦河闸初始泄流时消力池尾坎发生水跌、海漫段流速过大的问题，推荐方案采取降低消力池尾坎高程、拦河闸消力池按2种形式分区布置的方法，利用池底高程相对较低的中间5孔单元消力池承担拦河闸的初始泄流，从而降低初始泄流对消力池的冲刷影响。试验观察到，开启中间5孔闸(e=0.25 m)初始泄流时，消力池内水流较平稳，出池水流与下游河道水流衔接较平顺，流经海漫段的水流流速较设计方案有明显的降低，测得流速较大值约2.9 m/s；运行闸门局部开启的其余组次，消力池内水流较平稳，水跃发生于消力池内，消力池出流与下游河道水流平顺衔接。测得消力池尾坎及池后海漫段和防冲槽的流速均小于1.5 m/s；拦河闸泄放100年一遇和50年一遇洪水时，消力池内水流较平稳、产生波状流。测得消力池尾坎及池后海漫段和防冲槽的流速均小于1.8 m/s。

试验表明，在推荐方案布置下，拦河闸初始泄流，消力池的流态有了明显的改善，消力池的消能效率也有一定的提高，出池水流流速小于3 m/s，推荐方案消力池布置基本满足消能防冲要求(如图6)。

图6 推荐方案(水闸初始泄流、e=0.25 m)消力池流态及流速分布示意

4.3 二期(围堰)导流期间闸门运行试验

施工导流方式采用河床分期导流：Ⅰ期围右岸，施工右岸连接段、右岸水轮泵站及右侧6孔拦河闸。内利用左侧11孔旧溢流坝段泄流；Ⅱ期围左岸，施工左侧10孔拦河闸、左岸水轮泵站及左岸连接段。利用新建的右岸5孔(12～16孔)拦河水闸泄流。

在二期围堰施工导流期间，需利用已建好的右岸5孔水闸泄流，并且要控制5孔闸门的开启、维持上游正常蓄水位8.2 m，以满足两岸的灌溉用水需要。从前面的闸门运行试验可知，闸门初始泄流时，消力池受水力冲刷影响最大。由于右岸5孔闸消力池池底高程较中间5孔高(见图5)，需通过试验验证：右岸5孔闸消力池在二期施工导流期间，承担泄流任务时能否满足消能防冲要求。为此，按表3所列组次，对右岸5孔闸进行二期施工导流期间的闸门运行试验，测得的消力池尾坎及下游流速较大值列于表3中。

表3 二期施工导流期间右岸5孔闸消力池尾坎及下游流速较大值 m/s

组次右岸5孔闸开度e/m孔数泄流量Q/(m3/s)闸上游水位/m闸下游水位/m下游水位特征消力坎海漫段防冲槽10.251262.0初始水位2.43.21.320.552348.24.6开启5孔e=025m稳定后水位1.10.70.632.07857.12开启5孔e=1.75m稳定后水位2.61.41.0

试验观察到，在二期施工导流期间，开启右岸5孔闸(e=0.25 m)初始泄流时，消力池内水流较平稳，从消力池尾坎往下游约15 m长的海漫段水流较急，测得该段流速较大值约3.2 m/s(见图7)，海漫末段的水流与下游河道水流较平顺衔接；当闸门开度 e≥0.5m 运行时，由于下游水位较高，池内发生水跃，出池水流与下游水流较平顺衔接，测得消力坎的较大流速约2.6 m/s，海漫段及防冲槽的较大流速均小于1.4 m/s。试验表明，二期围堰导流施工期间，开启右岸5孔闸门(e=0.25 m)初始泄流时，海漫段的流速仍然较大，试验建议对拦河闸右侧5孔闸消力池池后海漫段的设计作加强防冲处理，以确保消力池的运行安全。

图7 二期施工导流期间(水闸初始泄流、e=0.25 m)消力池流态及流速分布

5 结语

高岭拦河闸闸门运行中，在闸门初始泄流时，消力池受水力冲刷影响最大。试验提出的拦河闸消力池按两种布置型式分区布置方案，利用该方案中池底高程相对较低的中间5孔单元消力池承担拦河闸的初始泄流任务，可有效地降低初泄水流对消力池的冲刷影响。由于新建的右岸5孔闸承担二期(围堰)施工导流期间的泄流，试验显示：在初始泄流时，右岸5孔下游的海漫段流速仍然较大约3.2 m/s，为确保新建右岸5孔闸消力池运行安全，试验建议对拦河闸右侧5孔闸消力池池后海漫段的设计作加强防冲处理。高岭拦河闸重建工程消能工模型试验的研究成果可为同类工程提供借鉴。

参考文献：

[1] 华东水利学院主编.水工设计手册(第六卷，泄水与过坝建筑物)[M].北京：水利电力出版社，1985.

[2] 广东省水利水电科学研究院.鉴江高岭拦河闸重建工程水工模型试验研究报告[R].广州：广东省水利水电科学研究院，2016．

(本文责任编辑 马克俊)

Experimental Study on Energy Dissipation of Reconstruction Project of Gaoling River Sluice

LUO Linxi，LU Hanzhu，LUO An，ZHU Honghua

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangdong Engineering Laboratory of Estuary Hydropower，Guangzhou 510635, China)

Abstract：Based on the experimental study on energy dissipation of reconstruction project of Gaoling river sluice, stilling pool of river sluice is planned to arrange separately in two forms. A middle part of stilling pool, relatively low elevation ones in floor of pool, undertake the task of river sluice to discharge the initial flow, and it better solves the problem which is insufficient dissipation when discharge the low flow in design. Among the scheme, it is not merely fulfilling the dissipation requirement of river sluice, but also saving investment of project, which provides reference for the similar projects design.

Keywords：stilling pool; initial discharge flow; drop; rapidly varied flow; discharge flow; dissipation

收稿日期：2017-01-17;

修回日期：2017-04-22

作者简介：罗林熙(1991)，女，本科，助理工程师，主要从事水利工程研究与设计工作。

中图分类号：TV135.2

文献标识码：A

文章编号：1008-0112(2017)08-0017-06