揭西縣塔頭攔河閘重建工程消能試驗(yàn)研究

鐘勇明，付 波，黃智敏

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635)

1 工程概況

揭西縣塔頭攔河閘工程位于榕江一級(jí)支流五經(jīng)富水下游，左岸與東園鎮(zhèn)相連，右岸與塔頭鎮(zhèn)接壤，距縣城約42 km。揭西縣塔頭攔河閘是一座以引水灌溉為主，兼有發(fā)電、交通及遠(yuǎn)期供水等綜合效益的Ⅱ等大(2)型水利樞紐工程。原塔頭攔河閘工程于1960年建成投入使用，運(yùn)行至今已50多a，受資金、材料、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工條件等限制，工程結(jié)構(gòu)老化殘舊，已不堪重負(fù)，存在安全隱患，嚴(yán)重影響工程的安全運(yùn)行。2001年3月經(jīng)鑒定，塔頭攔河閘為4類閘，需拆除重建[1]。揭西縣塔頭攔河閘設(shè)計(jì)洪水頻率為30年一遇(P=3.33%)，泄洪流量為2 800 m3/s；校核洪水頻率為100年一遇(P=1%)，泄洪流量為3 470 m3/s，攔河閘上游正常蓄水位為7.95 m(珠基，下同)，下游采用底流消能工形式。

2 攔河閘下游消能工設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

2.1 方案布置

揭西縣塔頭攔河閘重建工程主要建筑物包括攔河閘、船閘、左右岸堤防、東西干渠進(jìn)水涵等(見(jiàn)圖1)。攔河閘布置共12孔，單孔凈寬為12 m，泄流總凈寬為144 m，閘室采用開(kāi)敞式，堰型為平底寬頂堰；攔河閘閘室堰頂高程為4.25 m，閘室堰頂長(zhǎng)為20 m，閘室堰頂下游末端以1:4坡度與消力池連接；消力池水平段池長(zhǎng)為15.8 m，池底板高程為2.6 m，池深為1.65 m，池末尾坎頂高程為3.2 m；尾坎末端連接5 m長(zhǎng)的水平海漫段(高程為2.6 m)，后接1:15坡比的斜坡海漫段，斜坡海漫段水平投影長(zhǎng)為30 m，末端設(shè)頂高程為0.6 m的拋石防沖槽；防沖槽末端以1:5反坡接原河床(見(jiàn)圖2～圖3)。

圖1 塔頭攔河閘重建工程樞紐平面布置(單位：m)

圖3 攔河閘及下游消能工設(shè)計(jì)方案布置示意(單位：m)

2.2 模型試驗(yàn)及泄流組次

攔河閘水工斷面模型按佛勞德重力相似律設(shè)計(jì)為正態(tài)，模型幾何比尺為39.2，根據(jù)本工程攔河閘的運(yùn)行方式[1]，確定攔河閘消能運(yùn)行試驗(yàn)組次[2-3](見(jiàn)表1)。

表1 攔河閘模型試驗(yàn)主要水文組次

1) 當(dāng)上游洪水來(lái)流量較小時(shí)，保持?jǐn)r河閘上游為正常蓄水位(7.95 m)的情況下，水閘門局部開(kāi)啟運(yùn)行，通過(guò)調(diào)控開(kāi)啟閘孔數(shù)及閘門開(kāi)度來(lái)泄洪，閘門分檔高度為e=0.2 m；

2) 當(dāng)上游洪水來(lái)流量Q>230 m3/s時(shí)，閘門全開(kāi)運(yùn)行，下泄各種洪水頻率的流量。

2.3 試驗(yàn)成果及分析

根據(jù)工程設(shè)計(jì)提供的水文資料[1]，進(jìn)行了閘門局部開(kāi)啟運(yùn)行的試驗(yàn)。在維持閘上游為正常蓄水位7.95 m條件下，攔河閘分別進(jìn)行了12孔閘不同閘門開(kāi)度的泄流運(yùn)行試驗(yàn)。

在閘門開(kāi)度e=0.2 m、對(duì)應(yīng)下游初始水位(Z下=3.2 m)運(yùn)行時(shí)，由于水閘下游水位較低，出池水流無(wú)法與下游河道水流正常銜接，消力池尾坎和水平海漫段形成較明顯的跌流和急流，出池流速較大值約2.6 m/s，并在下游斜坡海漫段形成二次水躍，易對(duì)下游海漫段產(chǎn)生沖刷破壞，不利于工程的安全運(yùn)行；在閘門開(kāi)度e=0.4 m初始泄流(Z下=3.66 m)運(yùn)行時(shí)，出池水流無(wú)法與下游河道水流正常銜接，消力池尾坎和水平海漫段仍形成較明顯的跌流和急流，出池流速較大值約3.8 m/s，并在下游斜坡海漫段形成二次水躍。

設(shè)計(jì)方案模型驗(yàn)表明：在各閘門開(kāi)度運(yùn)行工況下，出閘水流呈自由出流狀，消力池內(nèi)水流不穩(wěn)定，出閘水流易在消力池內(nèi)形成左、右擺動(dòng)的折沖水流，并形成立軸回流，消力池內(nèi)水流消能率較低；設(shè)計(jì)方案的下游消力池尾坎過(guò)高，在閘門開(kāi)度e=0.2 m 和0.4 m泄流運(yùn)行時(shí)，出池水流不能與下游河道水流正常銜接，出池水流形成較明顯的跌流和急流，并在下游斜坡海漫段形成二次水躍，易對(duì)下游海漫段產(chǎn)生沖刷破壞。因此，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案下游消能工進(jìn)行修改和優(yōu)化。

3 方案修改

針對(duì)設(shè)計(jì)方案攔河閘閘門局部開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)消力池尾坎和下游海漫段出現(xiàn)的不良流態(tài)問(wèn)題參見(jiàn)文獻(xiàn)[4-12]，方案修改的思路為：通過(guò)適當(dāng)降低消力池池底及尾坎頂高程，消除消力池尾坎出流的跌流、下游海漫段的急流和二次水躍，改善消力池出池流態(tài)，使出池水流較平順地與下游河道水流銜接。

4 攔河閘下游消能工推薦方案及試驗(yàn)成果

4.1 方案布置

經(jīng)多方案的修改試驗(yàn)比較，模型試驗(yàn)優(yōu)化了消能工的體型和尺寸，形成以下推薦方案。

1) 將消力池池底高程由設(shè)計(jì)方案的2.6 m降低至1.4 m，池長(zhǎng)仍為15.8 m，相應(yīng)將閘室堰頂末端與消力池連接的陡坡段水平長(zhǎng)度增加4.8 m。

2) 將消力池末端尾坎頂高程由設(shè)計(jì)方案的3.2 m降低至2.2 m，尾坎寬度為2.0 m，尾坎末端以1:15斜坡海漫段與防沖槽相接，防沖槽頂高程0.0 m。

3) 為了減弱消力池內(nèi)水流波動(dòng)，改善消力池內(nèi)折沖水流及回流漩滾的現(xiàn)象，在消力池首端(樁號(hào)0+036.40)設(shè)置1排消力墩，消力墩墩高為1.0 m，墩寬為1.6 m，墩之間的凈間距為1.6 m(見(jiàn)圖4)。

圖4 攔河閘及下游消能工推薦方案布置示意(單位：m)

4.2 試驗(yàn)成果

4.2.1閘門局部開(kāi)啟試驗(yàn)

1) 在閘門開(kāi)度e=0.2 m和0.4 m初始泄流時(shí)，閘下游水位仍較低(e=0.2 m初始泄流的閘下游水位為3.20 m，e=0.4 m初始泄流的閘下游水位為3.66 m)，出閘水流呈自由出流狀，消力池出池流態(tài)較修改方案有明顯改善，但消力池尾坎仍然形成輕微的跌流，池末尾坎頂?shù)琢魉俜謩e約2.1 m/s和2.4 m/s(見(jiàn)表2)。

表2 設(shè)計(jì)、推薦方案消力池尾坎頂流速比較

2) 攔河閘各開(kāi)度(e=0.2 m和0.4 m)泄流穩(wěn)定后，閘下游水位相應(yīng)抬高，消力池內(nèi)水流更平穩(wěn)，出池流速降低(出池底流速分別降至約1.3 m/s和1.6 m/s)，出池水流較平順與下游河道水流銜接(見(jiàn)表2)。

3) 各級(jí)閘門開(kāi)度泄流運(yùn)行時(shí)，閘下游水躍均發(fā)生在消力池內(nèi)，在閘門開(kāi)度e=0.4 m泄流的工況下，其躍尾約在樁號(hào)0+040處，因此，消力池長(zhǎng)度滿足運(yùn)行的要求。

4.2.2閘門全開(kāi)泄流運(yùn)行試驗(yàn)

當(dāng)攔河閘上游來(lái)流量Q>230 m3/s時(shí)，電站不發(fā)電，攔河閘12孔閘門全開(kāi)泄流運(yùn)行，下泄各種頻率的洪水流量。根據(jù)工程設(shè)計(jì)提供的閘址水位～流量關(guān)系曲線，選用下游河床下切3 m工況的水文條件進(jìn)行試驗(yàn)：

1) 閘門全開(kāi)泄流運(yùn)行時(shí)，攔河閘上、下游水位差減小，在Q=230 m3/s運(yùn)行時(shí)，消力池內(nèi)形成較穩(wěn)定水躍；在Q≥500 m3/s運(yùn)行時(shí)，閘下游消力池出現(xiàn)波流狀流態(tài)，消力池內(nèi)水流較穩(wěn)定；消力池下游海漫段末端的下游河道流態(tài)接近于天然河道的流態(tài)，對(duì)下游河道河床不會(huì)產(chǎn)生較明顯的沖刷。

2) 在洪水流量Q=230 m3/s運(yùn)行時(shí)，攔河閘為自由出流，消力池內(nèi)形成較穩(wěn)定水躍，其躍尾約在樁號(hào)0+031處，出池水流較平順與下游河道水流銜接；測(cè)試的消力池末端尾坎頂?shù)琢魉偌s1.0 m/s，防沖槽區(qū)域底流速約0.5 m/s(見(jiàn)表3)。

3) 在洪水流量Q≥500 m3/s運(yùn)行時(shí)，攔河閘為淹沒(méi)出流。攔河閘下游呈波流狀；在Q=500 m3/s和Q=1 000 m3/s運(yùn)行時(shí)，測(cè)試的消力池末端尾坎頂和防沖槽區(qū)域底流速分別約為1.5～2.0 m/s和0.7～1.2 m/s(見(jiàn)表3)。

4) 在2年一遇至設(shè)計(jì)洪水頻率(P=3.33%)流量泄流運(yùn)行時(shí)，攔河閘泄流單寬流量增大，消力池內(nèi)水流波動(dòng)增大，測(cè)試的消力池末端尾坎頂和防沖槽區(qū)域底流速分別約為2.1～2.6 m/s和1.4～2.0 m/s(見(jiàn)表3)。

5) 在100年一遇校核洪水頻率(P=1%)流量泄流運(yùn)行時(shí)，測(cè)試的消力池末端尾坎頂?shù)琢魉偌s2.8 m/s，防沖槽區(qū)域底流速約2.3 m/s(見(jiàn)表3)。

表3 閘門全開(kāi)泄流的試驗(yàn)組次及成果(下游河床下切3 m運(yùn)行水位)

4.2.3攔河閘泄流能力試驗(yàn)

采用工程設(shè)計(jì)提供的現(xiàn)狀閘下游水位～流量關(guān)系，水工模型試驗(yàn)測(cè)試了12孔攔河閘閘門全開(kāi)泄流的泄流能力(見(jiàn)表4)。在泄放設(shè)計(jì)洪水頻率(P=3.33%)和校核洪水頻率(P=1%)洪水流量時(shí)，測(cè)試的攔河閘上游水位分別為12.81 m和13.52 m,比設(shè)計(jì)值(12.90 m和13.65 m)分別降低了0.09 m和0.13 m，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

表4 閘門全開(kāi)泄流能力試驗(yàn)成果

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)塔頭攔河閘設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題，模型試驗(yàn)優(yōu)化了消能工的體型和尺寸。試驗(yàn)表明：① 將消力池池底、尾坎頂和防沖槽高程分別降低之后，明顯改善了消力池出流流態(tài)，在閘上游為正常蓄水位、閘門開(kāi)度e=0.2 m和e=0.4 m初始泄流運(yùn)行時(shí)，消力池尾坎頂仍然形成較輕微的跌流，隨著閘下游水位逐漸上升，跌流逐漸消失；② 優(yōu)化了攔河閘下游消力池的布置和體型尺寸，在閘上游為正常蓄水位(Z=7.95 m)、閘門局部開(kāi)啟運(yùn)行條件下，攔河閘下游消力池可形成較穩(wěn)定的水躍，攔河閘泄流經(jīng)消力池消能后，并經(jīng)下游海漫段調(diào)整流速分布、消減部分余能后，可減輕對(duì)下游河床及兩岸坡的沖刷；③ 閘門全開(kāi)泄流運(yùn)行時(shí)，攔河閘上、下游水位差減小，消力池內(nèi)水流較穩(wěn)定，出池水流平順與下游河道水流銜接，消力池下游海漫段末端的下游河道流態(tài)接近于天然河道的流態(tài)，對(duì)下游河道河床不會(huì)產(chǎn)生較明顯的沖刷。