水力自控翻板閘壩消能防沖分析

何麗縣

(湖南省水電(閘門)建設工程有限公司，湖南 長沙 410000)

20世紀60年代初期，我國在進行河道渠化及通航樞紐建設的過程中，發明了水力自控翻板閘壩技術。水力自控翻板閘壩技術是以水力自控翻板閘門為核心內容的成套技術。

經過40多年的實踐，水力自控翻板閘壩技術已非常成熟，并變得更科學、更經濟和更符合工程安全需要，廣泛應用于水利水電、城市景觀蓄水、河道整治、水庫溢洪道等項目上。水力自控翻板閘門由60年代的非漸開型水力自控翻板閘門發展至漸開型水力自控翻板閘門。其中，漸開型水力自控翻板閘門又分為曲線鉸式、無限鉸式、滾輪連桿式、雙支點復合運動式、曲線漸開式與滑塊式等。目前應用最廣泛的水力自控翻板閘門型式為漸開型滾輪連桿式。為提高閘門運行的穩定性和降低啟門水頭，常常將此閘門面板傾斜一定角度，因而將其命名為有預傾角的滾輪連桿式水力自控翻板閘門。

當洪水到來時，閘門能夠自動逐漸開啟泄流。隨著上游來水量增加，閘門會準確及時地自動加大開度；隨著上游來水量減小，閘門會準確及時地自動減小開度，使之在洪水過程結束時能回關至全關狀態。水力自控翻板閘門具有不需啟閉設備，不需人工操作，完全由水流自動控制的優點。

由于洪水往往挾帶大量的垃圾、枯樹枝等雜物，行洪期間，有時會有雜物卡阻在閘門的門底或兩扇閘門之間，影響閘門自動啟閉過程；或因管理需要從而人工開啟個別閘門，這兩種情況都會導致過閘水流集中通過個別閘門的現象。因此，充分考慮各種過閘泄流條件，特別是過閘流量集中的工況，進而合理設計消能工，對于保障行洪安全具有十分重要的意義。

1 工程概況

陜西省漢中市漢江中心城區水力自控翻板閘壩工程位于陜西省漢中市中心城區的漢江主河道上，是漢中市“一江兩岸西會客廳”規劃的重要組成部分，工程任務是保護和改善水環境。

漢江通稱漢水，是長江較大的一級支流，發源于陜西省寧強縣境內的潘塚山。漢江總流域面積15.9萬km2，多年平均徑流量539.3億m3，河道全長1577km。本工程閘址以上流域面積為8646km2，閘址處多年平均流量為96m3/s，閘址處多年平均徑流量為30.3億m3。閘址處不同頻率的洪峰流量計算成果見表1。

表1 閘址處不同頻率洪峰流量計算成果

該閘壩閘址處斷面寬度為711.58m(兩岸堤腳距離)，該斷面為復式斷面，其中，閘壩段寬度(護灘親水平臺間距)為530.20m；在主河槽內呈“一”字型布置75扇3.00m×7.00m(高×寬)水力自控翻板閘門，分為5孔(每孔15扇)，溢流凈寬525.00m。

該閘壩工程等別為Ⅱ等，工程規模為大(2)型。其建筑物等級為：主要建筑物2級，次要建筑物3級，臨時性建筑物4級。其永久性水工建筑物主要由水力自控翻板閘門、閘室底板、導流墻、工作橋、鋪蓋、翼墻、護坦、海漫、防沖槽等組成。

河道行洪時，在同一斷面上的閘門基本同步啟閉，過閘流量均布，不改變天然河道流量的分布。閘門開啟后，門頂、門底同時過流，門頂溢流能使漂浮物順利過閘。隨開度增大，門底水流由射流變為孔口出流，便于推移質過閘，有利于天然河流的泥沙輸送。

經綜合分析確定，該水力自控翻板閘壩工程設計洪水重現期為50年一遇，相應洪峰流量Q50=10100m3/s；校核洪水重現期為100年一遇，相應洪峰流量Q100=11600m3/s。

2 消能防沖設計

工程屬于低水頭攔河閘，采用底流式消能，消能防沖建筑物設計洪水標準重現期為50年。根據水力自控翻板閘門的運行特點，并充分考慮水力自控翻板閘門在泄洪運行過程中的情況，其消能工設計按洪水過閘斷面流量均布和流量集中分為一般工況和特殊工況分別計算，按其最不利工況設計消能工，取最不利工況對應的流量作為確定消力池深度的設計流量。

2.1 一般工況(過閘單寬流量均布)

2.1.1消力池池深計算

(1)

(2)

(3)

(4)

經分析計算得出，翻板閘門啟門過程中，當開度為31.3度時需要的池深最大為0.7m。

2.1.2消力池池長計算

Lsj=Ls+βLj

(5)

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式中，Lsj—消力池長度，m；Ls—消力池斜坡段水平投影長度，m；β—水躍長度校正參數，可采用0.7～0.8，取β=0.8；Lj—水躍長度，m。

經分析計算各級過閘流量對應的池長，最不利情況下所需最小池長為8.54m。

2.1.3消力池厚度設計

按抗沖要求計算消力池底板厚度，計算公式為

抗沖：

(7)

(8)

式中，ΔH′—上、下游水頭差，m；k1—消力池底板計算系數，變化范圍為0.15～0.20，取0.18；k2—消力池底板安全系數，可采用1.1～1.3，取1.2；U—作用在消力池底板底現的揚壓力，kPa；γ—水的重力密度，KN/m3；hd—消力池內水深，m；Pm—作用在消力底板上的脈動壓力，kPa；γb—消力池底板的飽和容重，KN/m3；

因經過翻板閘門面板上與面板下的兩股水舌存在流速差，會合時發生碰撞，繼而產生剪切流，這一過程將消除一部分能量，故k1可取為0.18。

經分析計算，在不同級別過閘流量下其抗沖要求最大底板厚為0.62m，其抗浮要求最大底板厚為0.36m。按規范相關規定，取兩者的最大值作為計算依據。

借鑒國內大中型水閘工程的建設經驗，底板厚度一般為0.5～1.0m。因此，取消力池前半段厚度1.0m，后半段厚度0.70m為消力池底板厚度。

2.1.4海漫長度計算

過閘水流經過消力池消能后，一般能消除40%～70%的能量，但仍有一定的剩余動能，并且底部流速較大，對河床仍有較強的沖刷能力。所以設置海漫作護底，避免引起沖刷。

海漫長度計算采用南京水利科學研究院提出的經驗公式：

(9)

式中，LP—為海漫長度，m；qs—消力池末端各級單寬流量，m3/s/m；Ks—海漫長度計算系數，取10；ΔH’—閘孔泄水時的上、下游水位差，m。

2.2 特殊工況一(翻板閘門單扇開啟)

當因管理需要人工開啟單扇閘門，或洪水消退過程中被河道雜物卡住導致其中一扇翻板閘門無法及時回關時，假設為特殊工況一。在該特殊工況下，過閘流量集中，而下游水位已經消退(或枯水期下游水位很低)，閘孔處水頭差增大，對河床及消能設施的破壞性大。

消能計算公式和計算方法同一般工況，根據翻板閘門單孔從開啟至全開過程和卡阻時可能出現的各級別過閘流量，分別進行分析計算，分析結果見表2。

表2 單扇閘門泄流消力池計算成果表

由表2可知，閘門開啟45°時消能相應需要的池深最大，消力池長度不小于22.40m；在不同級別過閘流量下其抗沖要求最大底板厚為0.73m，其抗浮要求最大底板厚為0.88m，按規范相關規定，取兩者的最大值作為計算依據。

經分析計算，海漫最小長度Lp=28.90m。

2.3 特殊工況二(翻板閘門多扇開啟)

當因管理需要同時人工開啟多扇閘門，或洪水消退過程中被河道雜物卡住導致多扇翻板閘門無法及時回關時，假設為特殊工況二。在特殊工況下，過閘流量集中，而下游水位已經消退(或枯水期下游水位很低)，閘孔處水頭差增大，對河床及消能設施的破壞性大。

消能計算公式和計算方法同一般工況，經對同一斷面上的閘門每間隔一扇開啟一扇、每隔兩扇開啟一扇、兩側孔和中間各開一扇(即同時開3扇)等組合方案，經對比分析后，本文僅列出最為不利的兩側孔和中間各開一扇的組合方案。分析結果見表3。

由表3可知，閘門開啟65度時消能相應需要的池深最大，消力池長度不小于20.48m；在不同級別過閘流量下其抗沖要求最大底板厚為0.71m，其抗浮要求最大底板厚為0.51m，按規范相關規定，取兩者的最大值作為計算依據。

表3 單扇閘門泄流消力池計算成果表

經分析計算，海漫最小長度Lp=23.75m。

通過對一般工況和兩種特殊工況消能分析可知，本工程在一般工況下單寬流量均布，所需消能工較特殊工況小。綜合兩種工況，工程消能工設計：消力池深取1.70m，池長取24.80m，海漫長取30m。

3 結論與建議

工程于2014年7月1日建成投入使用，歷經了大小洪水的考驗，閘門運轉良好，消能工完好。這說明，設計中針對水力自控翻板閘壩運行中可能出現的不利情況，充分考慮不同工況所需消能工是十分重要的。

水力自控翻板閘壩技術是一項比較成熟的技術，具有運行管理方便，不需人力，不需外加能源，有利于安全泄洪、排漂、排沙等優點，并在全國23個省(市、自治區)的水利水電、城市景觀蓄水、河道整治、水庫溢洪道等類型的1500多個工程項目上得到成功應用。

在水力自控翻板閘壩設計過程中，應充分考慮各種工況下的泄流狀況對消能防沖設施及下游河床、護岸的影響。特別是閘門因各種情況導致部分開啟甚至單扇開啟時，流量較為集中，水流動能最大，紊動最強烈，對此應予以充分的重視，盡量在設計中留出足夠的安全裕度，論證最不利過流狀況下的消力池深及消力池長度。對于大中型水力自控翻板閘壩，必要時可假設不同的閘門開啟組合，進一步計算復核，或加做水工模型實驗確定消能工布置狀況。對于個別河道，特別是多沙河道，可加裝液壓輔控裝置。

主管單位要加強水力自控翻板閘壩的庫區管理，落實河長制的具體要求，加強河道治理，及時清理河道障礙物及漂浮物，做好閘門啟閉受阻的解決預案。汛期要加強值班，做好對水力自控翻板閘壩的巡邏工作，及時清理可能造成閘壩破壞的障礙物。