山區水閘運行方案對下游消能防沖影響分析

王 瓊，溫達文，李俊楠

（1.廣州市水務規劃勘測設計研究院有限公司，廣州 510640；2.廣州市增城區水務建設管理所，廣州 511399）

山區性河道河水陡漲陡落，水閘往往具有流量大的特點，容易造成水閘下游消能防沖設施的沖刷破壞[1～3]。水閘不同的調度運行方案對下游消能防沖設施的尺寸設計要求不同[4～6]，可通過控制水閘調度運行方案減小消能防沖設施尺寸，從而合理降低工程造價[7～9]。本文以正果攔河閘為例，通過水工模型試驗，研究水閘不同調度運行方案對下游消能防沖的影響。

1 工程概況

增江發源于廣東省新豐縣七星嶺，河流長度為203 km，主流自北向南流經從化、龍門、增城，在增城區的觀海口處匯入東江北干流，進入東江三角洲地區。增江流域面積呈狹長扇形，總集雨面積為3160 km2，多年平均徑流深1511 mm，多年平均徑流量為47.74億m3。

正果攔河閘位于增江中下游，閘上集雨面積為2275 km2。攔河閘以灌溉、供水為主，以發電、通航、改善水景觀為輔，工程等別為Ⅳ等，工程規模為小（1）型，設計洪水為20 a 一遇，設計洪峰為3056 m3/s，校核洪水標準為50 a一遇，校核洪峰為3715 m3/s。

根據《水閘設計規范》（SL 265-2016）及相關工程經驗，正果攔河閘設計如下：閘長168.0 m，共9孔，每孔凈寬16.0 m，每孔各設1扇上翻式平面鋼閘門，閘門尺寸為16.0 m×5.7 m（寬×高）；閘室順水流方向長30.0 m；閘底板高程7.60 m（珠基高程，下同），閘頂高程20.00 m；水閘邊墩厚2.0 m，中墩厚2.0 m，每兩孔設一縫墩，縫墩厚3.0 m；水閘上下游兩端均設檢修門槽；上游布置工作橋，工作橋兼做交通橋，雙向兩車道，橋面寬8.0 m；工作橋下游布置人行廊橋，廊橋總寬8.0 m。閘室上游鋪蓋長10.0 m；閘室下游消能防沖段依次布置有鋼筋混凝土消力池、混凝土海漫和拋石防沖槽，其中消力池段長30.0 m，深1.5 m，海漫長45.0 m，拋石防沖槽長5.0 m。正果攔河閘特征水位見表1。

表1 正果攔河閘特征水位

2 水工模型試驗

結合工程自然條件及設計方案，采用正態模型，整體模型幾何比尺為1∶50，其他相關水力學參數的比尺分別為：

流速比尺：Vr=500.5=7.071

流量比尺：Qr=502.5=17 677.670

時間比尺：Tr=500.5=7.071

糙率比尺：nr=501/6=1.919

為了保證攔河閘進流相似性，上游河道地形模擬至距離水閘進口約350 m，下游河道模擬至彎道下游約1000 m 處，兩岸模擬至高程約22 m 以下。整個模型包括供水系統、量水控制系統、模型試驗段、回水系統等。閘室及河道斷面表面流速和底流速采用旋槳流速儀管測量。水工模型見圖1，流速測點布置見圖2。

圖1 水工模型

圖2 流速測點布置

3 運行方案

根據正果攔河閘調度需求，正常情況下，上游維持正常蓄水位13.0 m 不變，來多少泄多少（包括發電引水流量）；隨著來水量的增加，閘前水位上升超過13.0 m 時，開閘泄水，使閘前水位控制在13.0 m；當水位回落至13.0 m 時，逐漸關閉閘門，閘前水位保持在正常蓄水位13.0 m。

結合調度需求及水閘布置，擬定以下兩種運行方案：

（1）水閘對稱單孔全開方案。來水量增加，閘前水位上升超過13.0 m 時，開啟中間孔閘門，使閘前水位控制在13.0 m，若來水量繼續增大，則閘從中間孔向兩邊對稱逐漸開啟，直至全開，達到最大泄洪能力；當水位回落至13.0 m 時，根據后開先關的原則，逐漸關閉閘門。使汛末閘前水位保持在正常蓄水位13.0 m。試驗工況為分別對稱開啟1 孔、3孔、5孔、7孔、9孔閘門。

（2）水閘均勻開啟方案。通過閘門開度調節下泄流量，每個開度為0.5 m，共10 個開度。具體調度過程為維持上游正常蓄水位13.0 m 不變，隨著上游來水量的增加，閘前水位上升超過13.0 m 時，9 孔閘同時開啟1 個開度（0.5 m），使閘前水位控制在13.0 m，若來水量繼續增大，閘前水位繼續上漲，則9 孔閘繼續開啟2 個開度，直至全開，達到最大泄洪能力；當水位回落至13.0 m 時，逐漸關閉閘門。使汛末閘前水位保持在正常蓄水位13.0 m。

4 不同運行方案對下游消能防沖影響分析

4.1 水閘對稱單孔全開方案

水閘對稱單孔全開方案下游流態見圖3，流速統計見表2。

表2 水閘對稱單孔全開方案流速統計表

圖3 水閘對稱單孔全開方案下游流態

4.2 水閘均勻開啟方案

水閘均勻開啟方案下游流態見圖4，流速統計見表3。

表3 水閘均勻開啟方案流速統計表

海漫中部拋石防沖槽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

圖4 水閘均勻開啟方案下游流態

4.3 對下游消能防沖影響分析

（1）水閘對稱單孔全開方案，主流集中在開啟閘孔對應的河道位置，對沖下游，閘下游近岸兩側有明顯回流出現；隨著開啟閘孔數增加，水流趨于均勻，開啟9孔時，水流均勻。

（2）水閘對稱單孔全開方案，對應的消力池水中部、消力池尾坎、海漫中部及拋石防沖槽位置處的底部流速大值范圍分別為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，消力池中部起點最大流速出現在1 孔全開工況，消力池尾坎最大流速出現在3 孔全開工況，海漫中部最大流速出現在1孔、3孔全開工況，拋石防沖槽最大流速出現在5孔全開工況。

（3）水閘對稱單孔全開方案，海漫及拋石防沖槽流速過高，對下游防沖極為不利，需增加防沖刷措施，將增大工程造價。

（4）水閘均勻開啟方案，不同開度條件下，水流流態總體平穩、順暢。在小開度（＜1.5 m）條件下，閘下游消力池內產生水躍，且水躍頭部位置隨開度增加向上游移動，開度為0.5、1.0、1.5 m 時，對應的水躍長度（距離下游墩尾距離）分別為7.5、5.0、3.3 m。而開度達2.0 m時，下游無明顯水躍現象發生。

（5）水閘均勻開啟方案，不同開度條件下，閘下游水流斷面流速分布較均勻，其中消力池中部、消力坎、海漫中部及拋石防沖槽位置處的底部最大平均流速分別為3.64、4.10、3.12、2.86 m/s。

（6）水閘均勻開啟方案，設計方案滿足消能防沖要求。

（7）對比以上兩種運行方案，水閘均勻開啟方案消力池水躍形態明顯、各斷面流速分布均勻，海漫及拋石防沖槽底部流速明顯降低。建議采用水閘均勻開啟方案。

5 結論

本文通過水工模型試驗，研究正果攔河閘水閘對稱單孔全開方案和均勻開啟方案對下游消能防沖的影響，結果表明：均勻開啟方案水躍形態明顯，各斷面流速分布均勻，有效降低下游流速，在同等條件下有利于消能防沖、降低工程造價。