低水頭攔河閘重建工程消能工優化布置試驗研究

陳卓英，倪培桐

(1.廣東省水利水電科學研究院， 廣東 廣州 510630；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室, 廣東 廣州 510630；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室, 廣東 廣州 510630)

低水頭攔河閘重建工程消能工優化布置試驗研究

陳卓英1,2,3，倪培桐1,2,3

(1.廣東省水利水電科學研究院， 廣東 廣州 510630；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室, 廣東 廣州 510630；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室, 廣東 廣州 510630)

共青河攔河閘壩工程是典型的低水頭樞紐工程，近年來隨著下游河床下切等原因，攔河閘壩多次出現險情，個別部位殘損嚴重，影響工程的安全運行。為研究研究攔河閘壩及其消能工運行的水力特性，妥善解決攔河閘壩下游消能防沖的問題，基于工青河攔河閘工程設計資料，建立了水工模型試驗。試驗表明通過增加一級消力池末端左、右兩側尾坎頂高程和在一級消力池尾坎下游兩側斜坡段上設置外凸型階梯，有效降低了消力池出流斜向流速，減輕該斜向流撞擊左、右兩側斜坡段內坡的現象，且外凸型階梯削減了斜坡段的流速，減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力，較好地解決了下游河床的消能防沖問題。

共青河攔河閘；消能工；外凸型階梯；試驗研究

低水頭水工建筑物具有水頭低、流量大、弗勞德數低、深尾水及消能率低等特點。由于低水頭建筑物效能率低是普遍問題，因此能量被大量帶到河道下游，致使下游河道受水流沖刷侵蝕。特別是近年來河道采砂量大致使樞紐下游河道下切嚴重，邊岸滑坡，對樞紐安全形成較大威脅[1-5]。從目前研究看低水頭消能工關注階梯式消能工[6-10]、消力墩位置[11-13]、緩坡溢洪道挑坎[14-15]、消力池綜合消能效率[16-17]、電站導墻布置對流態影響[18]、溢洪道中墩尾部水翅消減方案[19]、泄水閘閘前沖刷[20]等問題。廣東省地處華南沿海，河流比降小，普遍存在低水頭攔河閘工程。共青河引水樞紐位于電白縣西部的沙瑯江干流上，是典型的低水頭水工樞紐。其擔負著電白縣西南部九個鎮7 100 hm2農田的灌溉和縣城水東鎮的工商業及20多萬居民生活用水任務。是一座以灌溉為主，兼顧供水、交通等功能的水閘工程。樞紐閘壩工程始建于1958年，1986年重建，1988年重建完成并投入運行20多年，攔河閘壩工程個別部位殘損嚴重，險情不斷，嚴重影響工程的安全運行，需要重建。

共青河攔河閘壩重建工程為Ⅱ等大(2)型水閘，主要建筑物包括攔河閘、溢流壩、兩岸連接段及上、下游翼墻等。攔河閘布置共5孔，閘室堰頂高程16.3 m(珠基，下同)，單孔凈寬12.5 m，泄流總凈寬62.5 m，前緣總寬度75.54 m。溢流壩段位于攔河閘的兩側，兩側長度均為45.68 m，溢流堰型采用WES堰，堰頂高程為19.3 m，堰下游高程為16.3 m(見圖1)。

圖1 共青河閘壩重建工程初選方案平面布置圖

共青河攔河閘壩設計洪水標準為50年一遇(P=2%)，洪水流量Q=2 300 m3/s，校核洪水標準為200年一遇(P=0.5%)，洪水流量Q=2 940 m3/s。消能防沖建筑物洪水設計標準與攔河閘壩標準一致，采用50年一遇(P=2%)，攔河閘上游正常蓄水位為19.3 m。

本文試驗主要研究攔河閘壩及其消能工運行的水力特性，妥善解決攔河閘壩下游消能防沖的問題[21-22]，為工程設計和運行提供科學依據。

1 模型設計

模型按弗勞德相似定律設計為正態,在滿足試驗成果精度的前提下，根據試驗場地、供水條件等，選取模型幾何比尺Lr=40。流量根據弗勞德重力相似律，可得出模型各主要物理量的比尺關系。

根據共青河攔河閘壩壩址工程區域的河道地形，為了保證工程河段水流條件的相似，模型截取范圍為攔河閘壩上、下游河道各約1 000 m，模型試驗模擬的攔河閘壩上、下河道總長度約為2 000 m。

攔河閘壩上、下游模型河道地形采用工程設計提供的河道地形圖進行制作，河道地形和攔河閘壩根據設計方提供的設計圖紙按幾何相似縮制。攔河閘、溢流壩等采用優質杉木精制，表面上蠟拋光；模型河道地形用水泥沙漿刮制、批蕩抹光，以滿足模型河床糙率與原型河床糙率相似。

2 原設計方案消能工運行試驗

2.1 工程布置

2.1.1 攔河閘及其下游消能工布置

經共青河攔河閘水工斷面模型試驗研究[21]，優化了攔河閘下游消能工的布置和體型。水工斷面模型試驗推薦的攔河閘及其下游消能工的布置和體型尺寸為(見圖2)。

閘室下游布置兩級消力池，一級消力池水平長度為19.5 m，池深2.2 m，池末尾坎頂高程16.0 m，尾坎末端以1∶2.5坡度陡坡段與下游二級消力池連接；一、二級消力池之間陡坡段布置4級高0.35 m、間距3.2 m的外凸型階梯；二級消力池水平長度為22 m，池深0.8 m，池內設置一排消力墩(墩高1.2 m、墩寬1.6 m、墩間距1.6 m)，池末坎頂高程8.8 m，尾坎頂寬度2 m；二級消力池尾坎下游以1∶25坡度的斜坡海漫段(水平投影長度20 m)與防沖槽連接，防沖槽頂高程8.0 m，后以1∶10反坡段與下游河床連接(見圖2)。

圖2 設計方案——攔河閘及其下游消能工剖面圖

2.1.2 溢流壩

溢流壩段位于攔河閘段的左、右兩側，兩側長度均為45.68 m，堰型采用WES堰，堰頂高程為19.3 m，溢流壩下游底板頂高程為16.3 m，底板順水流長10 m，底板下游末端與下游兩級消力池連接。攔河閘壩左、右兩岸的一級消力池尾坎末端至防沖槽首端布置5 m寬的斜坡段，斜坡段與一級消力池下游陡坡段、二級消力池、斜坡海漫段等內坡以1∶2坡度連接。

2.2 試驗結果

原方案在攔河閘不同閘門開度與溢流壩聯合運行時(閘上游水位Z=19.6m)，由于溢流壩泄流量較小，攔河閘兩邊孔出流后向左、右兩側擴散。水流沿一級消力池下游陡坡段斜向撞擊兩側斜坡段的內坡，兩側斜坡段及內坡面區域的水流較集中，受其影響，二級消力池左、右兩側尾坎頂出現明顯的跌流現象，流速較大，導致其下游海漫段及下游河床區域流速較大，不利于工程的安全運行(見圖3)。

圖3 兩側斜坡段及其內坡區域泄流流態示意圖

隨著上游來流的增大，溢流壩過流相應增大，水閘兩邊孔出流往左、右兩側擴散程度減小。由于下游水位仍然較低，在兩側斜坡段及其連接的內坡區域同樣出現較明顯的急流段，水流斜沖擊內坡的流速約4.3 m/s～5.3 m/s；二級消力池左、右兩側的尾坎區域出現較明顯的跌流現象，出池流速約3.8 m/s～4.0 m/s，兩側端防沖槽及其下游的左、右岸區域流速較大，斷面流速分布不均勻，不利于工程的安全運行(見表1)。

表1 消能工原方案攔河閘壩運行流速值

3 消能工方案優化布置試驗結果與討論

3.1 優化布置方案

(1) 修改方案1：將一級消力池左、右側各18 m長尾坎加高0.8 m(頂高程16.8 m)，尾坎頂寬為2 m(見圖4)。

(2) 修改方案2：在修改方案1的基礎上，將一級消力池末端左、右兩側尾坎頂加高至17.2 m高程。且在左、右兩側所增加的尾坎坡面上增加一級外凸型階梯，并在一級消力池尾坎下游的左、兩側斜坡段上增設6級外凸型階梯(見圖5)。

圖4 消能工修改方案1平面布置圖

(a) 修改方案2平面圖

(b) 外凸式階梯消能工大樣圖

圖5 消能工修改方案2布置圖

3.2 修改方案1試驗結果

修改方案1把原設計方案一級消力池左、右兩側尾坎抬高之后，攔河閘不同閘門開度局部開啟與溢流壩運行時，削弱了攔河閘兩邊孔出流斜向水流撞擊下游兩岸側斜坡段內坡的流量和流速，同時，從兩側尾坎頂翻越水流流量明顯減小。在5孔閘閘門開度e=1.8 m的運行時(閘上游水位Z=19.6 m，閘壩聯合運行)，一級消力池兩側尾坎頂流速約3.2 m/s～3.3 m/s，一級消力池下游陡坡段斜向撞擊兩側內坡的流速約2.7 m/s～2.9 m/s，二級消力池左、右兩側的出池流速約2.7 m/s(見表2)。

表2 消能工修改方案1攔河閘壩運行流速值

當上游來流量Q=1 200 m3/s泄流運行時(攔河閘門全開與溢流壩聯合運行)，其運行流態的與閘門開度e=1.8 m運行工況相近，一級消力池下游陡坡段斜向撞擊兩側內坡的流速減小至約2.7 m/s～2.8 m/s；二級消力池出池流速減小，左、右兩側的出池流速約為2.9 m/s(見圖6)。

圖6 消能工修改方案1攔河閘壩泄流運行流態

3.3 修改方案2試驗結果

方案2明顯減輕了一級消力池下游陡坡段水流斜向撞擊左、右兩側斜坡段內側坡的現象，且消力池兩側斜坡段設置的階梯削減了斜坡段的流速，減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力，有利于工程的安全運行(見表3和圖7)。

(1) 攔河閘閘門開度e≤0.6 m運行時，由于一級消力池水面低于左、右兩側尾坎頂高程，加高的尾坎頂無溢流，攔河閘兩側邊孔出流斜向水流對其下游兩側邊坡的撞擊作用甚微。

(2) 攔河閘閘門開度e=1.8 m運行時，一級消力池內水位約17.9 m，漫越一級消力池左、右兩側高尾坎的水深約0.7 m，一級消力池左、右兩側高坎出流斜向撞擊下游兩側內坡的流速約1.9 m/s～2.1 m/s。二級消力池尾坎頂(樁號0+091.50)左、右兩側出流流速分別約2.1 m/s和2.3 m/s，下游河道(樁號0+140)兩側區域流速為1.5 m/s～1.7m/s。

表3 消能工修改方案2攔河閘壩運行流速值

(3) 上游來流量增大、攔河閘閘門全開與溢流壩運行時(泄流量Q=800 m3/s和1 200 m3/s，閘下游水位分別為13.42 m和14.57 m)。一級消力池水面高于加高的尾坎頂，水流漫越坎頂沿斜坡段下泄，斜坡段的階梯增加了泄流消能率，二級消力池尾坎頂出流流速約為2.1 m/s～2.5 m/s。

(4) 上游來流量為Q=1 860 m3/s(P=5%、閘下游水位為16.2 m)運行時，隨著泄流量增大，溢流壩泄流量相應增大，左、右兩側的溢流壩堰面末端偶有水流起挑現象，攔河閘兩邊孔出流往左、右兩側擴散程度減小。一級消力池水深增大，一、二級消力池的水位差減小，二級消力池水深加大，水流消能率增加，二級消力池出流較平順與下游河道水流銜接。

(5) 上游來流為設計洪水頻率流量(P=2%、Q=2 300 m3/s)運行時，左、右兩側的溢流壩下游末端水流略起挑，一級消力池左、右兩側水流波動較中間的攔河閘段稍大。

圖7 消能工修改方案2攔河閘壩泄流運行流態(攔河閘e=1.8 m)

3.4 討論

在攔河閘閘門局部開啟和全開運行時，消能工初選方案泄流經一級消力池后，沿一級消力池下游陡坡段斜向撞擊兩側斜坡段內側坡，斜坡段及內坡面區域的水流較集中，二級消力池左、右兩側尾坎頂出現較明顯的跌流現象，出池流速較大，導致其下游左、右兩側海漫段及下游河床區域流速較大，不利于工程的安全運行。

消能工一級消力池末端左、右兩側尾坎頂加高特別是抬高1.2 m后，一級消力池出流斜向撞擊兩側斜坡段的流速明顯減小，二級消力池尾坎區域的跌流現象減弱。消能工修改方案1將一級消力池末端左、右兩側尾坎頂加高至16.8 m高程(長度分別為18 m)，一級消力池出流斜向撞擊兩側斜坡段的流速明顯減小，二級消力池尾坎區域的跌流現象減弱。

消能工修改方案2將一級消力池末端左、右兩側尾坎頂加高至17.2 m高程(加高的尾坎長度分別為18 m)，在左、右兩側所增加的尾坎坡面上增加一級外凸型階梯，并在一級消力池尾坎下游的左、右兩側斜坡段上增設6級外凸型階梯(見圖4)。該方案明顯減輕了一級消力池下游陡坡段水流斜向撞擊左、右兩側斜坡段內側坡的現象，且消力池兩側斜坡段設置的階梯削減了斜坡段的流速，減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力，有利于工程的安全運行。修改方案2在左、右兩側所增加的外凸型階梯消力池兩側斜坡段設置的階梯有助于泄流的湍流的發展，加快能量耗散、減小斜坡段的水流流速，從而減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力。

4 結 論

本文通過試驗研究了攔河閘壩及其消能工運行的水力特性，妥善解決攔河閘壩下游消能防沖的問題，為工程設計和運行提供科學依據。

試驗原設計方案存在一級消力池下游陡坡段斜向撞擊兩側斜坡段內側坡，斜坡段及內坡面區域的水流較集中，二級消力池左、右兩側尾坎頂出現較明顯的跌流現象，出池流速較大，且其下游左、右兩側海漫段及下游河床區域流速較大，不利于工程的安全運行。試驗通過在一級消力池末端左、右兩側尾坎頂高程增加和一級消力池尾坎下游兩側斜坡段上設置外凸型階梯，有效的降低了消力池出流斜向撞擊兩側斜坡段的流速，減輕了一級消力池下游陡坡段泄流斜向撞擊左、右兩側斜坡段內側坡的現象，且消力池兩側斜坡段設置的外凸型階梯削減了斜坡段的流速，減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力，有利于工程的安全運行，建議工程設計采用。

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Experiments on Optimal Layout of Energy Dissipation of Low Head Sluice Reconstruction Project

CHEN Zhuoying1,2,3, NI Peitong1,2,3

(1.GuangdongProvincialWaterConservancyandHydropowerResearchInstitute,Guangzhou,Guangdong510630,China;2.HydrodynamicResearchKeyLabofGuangdongProvince,Guangzhou,Guangdong510630,China;3.State-provinceJointEngineeringLaboratoryofEstuarineHydraulicTechnology,Guangzhou,Guangdong510630,China)

Gongqing River dam is a typical low-head water control project. Its the right bank which was found in danger situation in recent years because of sand extraction in the downstream. The physical model was built to study the hydraulic characteristics of the dam and solve the problem of energy dissipation and erosion prevention in the downstream. The results shows that by increasing the elevation of end sill at right and left sides of the first stilling pool and arranging convex type ladder on both sides at end of the first stilling pool, the stilling basin flow, the oblique flow hitting the left and right sides of the slope section in slope, the convex step cut slope flow and the velocity of downstream apron can all be effectively reduced.

Gongqing River dam; energy dissipater; convex type ladder; experiments

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.009

2016-12-06

2017-01-22

廣東省水利科技創新項目(2016-12)

陳卓英(1973—)，女，廣東四會人，高級工程師，主要從事水工水力學方面的工作。E-mail: 576353001@qq.com

倪培桐(1971—)，男，山東泰安人，高級工程師，主要從事水力學數值模型方面的工作。E-mail: 69383183@qq.com

TV135

A

1672—1144(2017)02—0049—06