高嶺攔河閘重建工程泄流能力及消能防沖設(shè)計(jì)

顏曉梅

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

高嶺攔河閘位于化州市楊梅鎮(zhèn)高嶺村東面、鑒江下游、化州水文站以下8 km處，屬鑒江第四級攔河工程，是以灌溉、供水為主，結(jié)合航運(yùn)的大型攔河水閘工程[1]。 工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。工程最大泄量超過5 000 m3/s，考慮本工程結(jié)構(gòu)較常規(guī)、地質(zhì)條件單一、影響建筑物安全的不確定性因素較少，而且攔河建筑物擋水高度不高，下游無重要的保護(hù)對象，工程失事后對下游造成的損失不大，泄洪時閘門全開河道亦恢復(fù)天然狀態(tài)，因此，根據(jù)工程的具體情況，建筑物擬降低一級設(shè)計(jì)，將本工程主要建筑攔河閘、水輪泵站、船閘、連接段的建筑物級別定為2級，次要永久性建筑物導(dǎo)墻、護(hù)坡等為3級，臨時建筑物為4級[2-3]。 船閘按照Ⅶ(2)級通航標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[4]，工程地震基本烈度為Ⅶ度[5]。

攔河閘布置在河床中間，單孔凈寬為15.0 m，共16孔，泄流總凈寬為240 m，采用兩孔一聯(lián)整體式結(jié)構(gòu)。閘底板順?biāo)鞣较蜷L為22.0 m，閘頂順?biāo)鞣较蜷L為26.5 m。邊墩厚度為1.5 m，中墩厚度為2.0 m，縫墩厚度3.0 m，總擋水寬度為284.14 m。

攔河閘順?biāo)飨蛞来尾贾糜许抛o(hù)底、閘室、消力池、海漫、防沖槽。閘室上游設(shè)長22.7 m，厚0.5 m砼護(hù)底。在閘室上游齒槽底部設(shè)置0.6 m厚砼防滲墻，下游布置分區(qū)消力池。邊孔消力池總長度為42.5 m，池深為1.5 m。其中：斜坡段長為16 m，水平段長為26.5 m，斜坡段以1:4的坡度接至水平段。中間5孔消力池總長度為42.5 m，池深為1.5 m。其中：斜坡段長為20 m，水平段長為22.5 m，斜坡段以1:4的坡度接至水平段。

消力池末端設(shè)置40 m長的海漫，坡比為1:30，前段長為15.9 m，后段長為24.1 m[6]。

2 水閘泄流能力計(jì)算及試驗(yàn)

2.1 泄流能力計(jì)算

水閘泄流能力計(jì)算根據(jù) 《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2001)公式(A.0.1-1)：

(1)

式中Q為過閘流量，m3/s；B0為閘孔總凈寬，m；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上水深，對于閘前水面較寬的水閘，不應(yīng)計(jì)入行近流速，m；g為重力加速度，9.81 m/s2；m為堰流流量系數(shù)，取0.385；σ為堰流淹沒系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)，取0.972。以上各系數(shù)的取值和計(jì)算見《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2001)公式(A.0.2-1)：

(2)

式中μ0為淹沒堰流的綜合流量系數(shù)；hs為由堰頂算起的下游水深，m。

泄流能力計(jì)算成果見表1。

表1 泄流能力計(jì)算成果

2.2 水工模型試驗(yàn)成果[7]

為論證設(shè)計(jì)方案的合理性，開展了高嶺攔河閘重建工程水工模型試驗(yàn)研究，包括斷面模型試驗(yàn)和整體模型試驗(yàn)。

1) 斷面模型試驗(yàn)成果

通過分別建立中間5孔和左右兩側(cè)11孔閘的斷面模型，進(jìn)行閘門局部開啟運(yùn)行試驗(yàn)和閘門全開運(yùn)行試驗(yàn)。從局部開啟運(yùn)行試驗(yàn)成果可見，中間單元5孔閘在各種閘門開度運(yùn)行時，消力池消能工布置基本滿足設(shè)計(jì)要求。從閘門全開運(yùn)行試驗(yàn)成果可見，閘上、下游的水面線較平順，消力池及海漫段的水流順暢，只要嚴(yán)格遵守試驗(yàn)提出的閘門運(yùn)行操作規(guī)程運(yùn)行，高嶺攔河閘設(shè)計(jì)方案可行，工程運(yùn)行安全。

2) 整體模型試驗(yàn)成果

在設(shè)計(jì)提供的攔河閘下游水位—流量關(guān)系條件下，在設(shè)計(jì)洪水頻率(P=2%)和校核洪水頻率(P=0.5%)流量泄流運(yùn)行時，其泄流能力見表2。從表2可知，水閘泄流能力可滿足工程設(shè)計(jì)要求。

表2 泄流能力試驗(yàn)成果

2.3 成果對比分析

從表1可知，在設(shè)計(jì)、校核洪水泄流時，2種計(jì)算公式閘、壩上、下游水頭差均在0.3 m內(nèi)，閘、壩的泄流能力滿足要求；從表2水工模型試驗(yàn)的成果可知，該成果介于公式(A.0.1)與公式(A.0.2)計(jì)算成果之間；考慮公式(A.0.2)的適用范圍是hs/H0≥0.9的條件，而在本次計(jì)算中，設(shè)計(jì)、校核洪水泄洪均滿足該適用條件；因此，從偏于安全考慮，本報告采用公式(A.0.2)的計(jì)算結(jié)果。

攔河閘采用單孔凈寬為15.0 m，共16孔，泄流總凈寬為240 m的布置方案。

3 水閘消能防沖設(shè)計(jì)[8]

3.1 消能防沖設(shè)計(jì)過程

1) 可研階段經(jīng)過理論計(jì)算，初步確定消力池的深度、長度等主要結(jié)構(gòu)尺寸。

2) 根據(jù)初步確定的尺寸提供給水工模型試驗(yàn)，通過水工斷面及整體模型試驗(yàn)確定消力池深度、長度等主要結(jié)構(gòu)尺寸。

3) 在初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)可研審查及復(fù)核意見，通過理論計(jì)算及水工模型試驗(yàn)復(fù)核成果，初步確定調(diào)度運(yùn)行方式，再結(jié)合攔河閘使用單位的要求及建議，最終確定消能防沖結(jié)構(gòu)形式。

3.2 閘門控制運(yùn)用方式擬定[9]

高嶺攔河閘是以灌溉、供水為主，結(jié)合航運(yùn)的大型攔河水閘工程。水閘無防洪要求，水閘在滿足灌溉供水正常運(yùn)行情況下應(yīng)維持正常水位8.2 m。其調(diào)度原則如下：

1) 當(dāng)水位超過8.2 m，來水小于1 160 m3/s時，則水閘采取控泄，滿足灌溉、供水的要求后，來多少泄多少，保持水位為正常水位為8.2 m。

① 水閘初始泄流只允許開中間單元的5孔閘泄流。當(dāng)上游來流量大于開啟中間單元5孔e=0.25 m泄流量102.5 m3/s時，繼續(xù)開啟中間單元的5孔閘至e=0.5 m泄流，此時不允許開啟左右兩單元的11孔閘泄流。

② 當(dāng)上游來流量大于開啟中間單元5孔閘e=0.5 m的泄流量201.8 m3/s時，除開啟中間5孔e=0.5 m外，再開啟左右單元的11孔閘泄流。

③ 當(dāng)上游來流量大于16孔閘門開度e=0.5 m泄流量645.8 m3/s時，采用16孔閘同步開啟。水閘運(yùn)行應(yīng)遵循同步、均勻、間隔、對稱開啟的原則，不應(yīng)該采取集中數(shù)孔、大開度開啟的方式，以減輕對下游河床的沖刷。每一級閘門開度開啟后，待下游水位上升穩(wěn)定后，再開啟下一擋開度運(yùn)行。

2) 當(dāng)水位超過8.2 m且來水大于水閘過流能力為1 160 m3/s時，閘門全開泄洪，水位升高，洪水從水閘過流，當(dāng)水位回落至正常蓄水位時恢復(fù)控泄，保持正常蓄水位。

3) 當(dāng)水位低于正常蓄水位為8.2 m時，應(yīng)優(yōu)先滿足原設(shè)計(jì)供水和右岸0.57萬hm2灌溉面積的用水量，并且盡快下閘蓄水回復(fù)至正常水位，同時要盡可能滿足下游河道生態(tài)流量的要求，即通過水輪泵、閘門下泄的總流量不低于17.1 m3/s(見表3)。

表3 閘門局部開啟控制運(yùn)行條件

3.3 理論計(jì)算

根據(jù)調(diào)度原則進(jìn)行消能防沖計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4計(jì)算結(jié)果表明：對于中間5孔水閘，消力池最大深度為1.5 m；在流量為4 755 m3/s時，消力池底板最大厚度為1.41 m，最大池長47.19 m，海漫最大長度為32.1 m。對于邊孔，消力池最大深度為1.5 m；在流量為4 755 m3/s時，消力池底板最大厚度為1.22 m，最大池長45.16 m，海漫最大長度為32.1 m。

表4 泄洪閘消能防沖計(jì)算[10-11]

3.4 水工模型試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《鑒江高嶺攔河閘重建工程初步設(shè)計(jì)報告》審查意見關(guān)于“設(shè)計(jì)單位需復(fù)核消能計(jì)算，并結(jié)合水工模型試驗(yàn)，優(yōu)化消能工布置。”的要求，補(bǔ)充了消能工布置優(yōu)化方案的模型試驗(yàn)[12]。

利用水工模型試驗(yàn)多方案對比，補(bǔ)充方案是在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，將消力池池長縮短5 m，并采用分區(qū)消能防沖形式[13]，設(shè)置2個消能分區(qū)。即 1#～5#及11#～16#的消力池布置形式相同，底高程采用0.00 m； 6#～10#的消力池布置相同，5孔的兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)墻，底高程采用-1.0 m。

根據(jù)水工模型試驗(yàn)，消力池長為42.5 m滿足設(shè)計(jì)流量消能要求，并有一定的富余，考慮設(shè)計(jì)流量時水流狀態(tài)已是波狀水躍，消力池的長度對消力池影響不大，因此，消力池長采用水工模型試驗(yàn)結(jié)果。

3.5 消能工尺寸的擬定

綜合考慮計(jì)算及水工模型試驗(yàn)結(jié)果，對于邊孔，消力池總長度為42.5 m，底板厚度為1.2 m，池深為1.5 m。其中：斜坡段長為16 m，水平段長為26.5 m，斜坡段以1:4的坡度接至水平段，消力池底高程為0.00 m，消力池末端出池高程為1.5 m。對于中間5孔，消力池總長度為42.5 m，底板厚度為1.5 m，池深1.5 m。其中：斜坡段長為20 m，水平段長為22.5 m，斜坡段以1:4的坡度接至水平段，消力池底高程為-1.0 m，消力池末端出池高程為0.5 m。

4 結(jié)語

水閘工程于2019年建成運(yùn)行，投入運(yùn)行以來經(jīng)歷了汛期的考驗(yàn)，工程運(yùn)行安全穩(wěn)定，發(fā)揮了重要的社會經(jīng)濟(jì)效益。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，諸多類似高嶺攔河閘的水閘工程需要重新建設(shè)，工程設(shè)計(jì)時應(yīng)慎重對待水閘泄流能力和消能防沖能力的復(fù)核工作，最好采用理論公式計(jì)算與水工模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式，進(jìn)行多種方案比較，選定合適的布置方案。