黃智敏,付 波,陸漢柱,麥棟玲
(廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室,廣東 廣州 510635)
漠陽江雙捷攔河閘位于廣東省陽江市北約20km的漠陽江中下游,是一宗以灌溉供水為主,兼有防洪、航運、發(fā)電等綜合效益的大(1)型水利樞紐工程,閘址處集雨面積為4200km2。
雙捷攔河閘于1958年11月開始興建,1960年3月建成。2009年3月,經(jīng)安全鑒定評定為四類閘,需對攔河閘進(jìn)行重建。重建工程攔河閘共設(shè)28孔閘,單孔閘凈寬12m,泄流總凈寬336m,攔河閘總寬度413m。設(shè)計初擬方案攔河閘因使用功能分為沖沙閘、節(jié)制閘和泄洪閘等三種閘型,各閘型從右至左分別布置2孔沖沙閘Ⅰ區(qū)、6孔泄洪閘Ⅰ區(qū)、12孔節(jié)制閘、6孔泄洪閘Ⅱ區(qū)、2孔沖沙閘Ⅱ區(qū)等。攔河閘閘室采用寬頂堰型式;閘下游消能防沖采用底流消能方式:沖沙閘和節(jié)制閘下游采用兩級消力池,泄洪閘下游采用一級消力池見圖1。
攔河閘重建工程設(shè)計正常蓄水位為6.3m(珠基,下同);設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇(P=2%),泄洪流量為Q=4458m3/s;校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇(P=0.5%),泄洪流量Q=5276m3/s。
為了論證雙捷攔河閘重建工程下游消能工體型和布置的合理性,開展了攔河閘水工斷面模型和攔河閘樞紐(包括攔河閘、船閘、電站等)水工整體模型試驗,兩模型均為正態(tài)模型[1]。本文介紹雙捷攔河閘泄洪消能試驗研究成果,供類似工程設(shè)計和運行參考。
圖1 雙捷攔河闡重建工程設(shè)計初擬方案平面布置示意圖
根據(jù)工程設(shè)計資料,重建工程攔河閘的運行方式為:
(1)當(dāng)閘上游洪水來流量Q≤1398m3/s時,維持閘上游水位為正常蓄水位6.3m,先采用4孔沖沙閘和12孔節(jié)制閘閘門局部開啟運行;待下游河道水位上升之后,再開啟泄洪閘運行,直至攔河閘泄洪流量Q≤2540m3/s。
(2)當(dāng)閘上游洪水來流量Q>2540m3/s時,攔河閘28孔閘閘門全開運行,恢復(fù)天然河道泄洪流態(tài),以確保工程的安全運行。
參考有關(guān)的文獻(xiàn)和經(jīng)水工模型試驗優(yōu)化之后[1~2],得出攔河閘各類閘孔下游消能工的體型為:
(1)沖沙閘(左、右岸各2孔),閘室底板高程為2.96m,閘底板末端以1∶4.55坡度與下游一級消力池連接,一級消力池水平段長度為15m,水平段池底高程為0.76m,池深2.0m,池末尾坎頂高程為2.76m,池首端設(shè)置一排消力墩(消力墩高、墩寬和墩之間間距均為2.0m),消力池末端尾坎長2.0m;一級消力池尾坎頂末端以1∶2.9坡度與下游二級消力池相接,二級消力池水平段長度為18m,池深1.5m,池首端設(shè)置一排消力墩(消力墩高、墩寬和墩之間間距均為1.6m),池末尾坎頂高程為-1.75m,尾坎長2.0m;尾坎頂末端采用1∶22.6斜坡海漫段與防沖槽連接,防沖槽頂高程為-2.75m(見圖2)。
圖2 沖沙闡下游消能工推薦方案剖面圖(單位:m)
(2)節(jié)制閘為12孔閘,閘室底板高程為3.26m,閘底板末端以1∶4坡度與下游一級消力池連接,閘下游消能工布置與沖沙閘相同(見圖3)。
圖3 節(jié)制闡下游消能工作推薦方案剖面圖(單位:m)
(3)泄洪閘共12孔,對稱布置在節(jié)制閘孔段的兩側(cè),閘室底板高程為3.26m,閘底板末端以1∶4坡度與一級消力池相接,一級消力池水平段長度為15m,水平段池底高程為0.76m,池深2.0m,池末尾坎頂高程為2.76m,;一級消力池尾坎頂末端以1∶1坡度與下游水平海漫段(高程0.76m)連接后,再接坡度為1∶7.67和1∶22.6兩斜坡海漫段及防沖槽(見圖4)。
圖4 泄洪闡下游肖能工推薦方案剖面圖(單位:m)
(1)當(dāng)閘上游洪水流量Q≤1398m3/s時,維持閘上游水位為正常蓄水位6.3m、開啟4孔沖沙閘和12孔節(jié)制閘運行(閘門開度e=0.25~1.75m),一、二級消力池內(nèi)水流形成較穩(wěn)定的強(qiáng)迫水躍,二級消力池出流較平順與下游河道水流銜接;測試的二級消力池尾坎和海漫段末端斷面的出流底流速分別小于2.5m/s和1.3m/s。
(2)當(dāng)1398m3/s≤Q≤2540m3/s時,維持4孔沖沙閘和12孔節(jié)制閘運行(e=1.75m),12孔泄洪閘閘門逐漸開啟運行(閘門開度e=0.25~1.0m),泄洪閘一級消力池內(nèi)水流形成較穩(wěn)定的強(qiáng)迫水躍,出流經(jīng)池末尾坎下游水平海漫段和斜坡海漫段之后,較平順與下游河道水流銜接;測試的泄洪閘下游水平海漫段底流速較大值約2.5m/s,海漫段末端斷面的底流速較大值約1.2m/s。
(3)當(dāng)閘上游洪水流量Q>2540m3/s時,28孔閘閘門全開運行,閘下游水流多呈波狀流,測試的攔河閘下游海漫段末端斷面的底流速v≤1.7m/s。
因此,水工模型試驗優(yōu)化的攔河閘各類閘型下游消能工體型是合理的,試驗成果可供工程設(shè)計和運行參考。
根據(jù)工程設(shè)計的要求,設(shè)計初擬方案的攔河閘各類閘型調(diào)度運行方式為:當(dāng)閘上游洪水來流量Q≤1398m3/s時(相應(yīng)閘下游河道水位Z≤2.9m),維持閘上游水位為正常蓄水位(Z0=6.3m),先開啟4孔沖沙閘和12孔節(jié)制閘閘門局部開啟運行;待閘上游洪水來流量Q>1398m3/s時(Z>2.9m),再開啟12孔泄洪閘運行,直至攔河閘泄洪流量Q=2540m3/s;當(dāng)閘上游洪水來流量Q>2540m3/s時,28孔閘閘門全開運行,以確保工程的安全運行。
設(shè)計初擬方案攔河閘運行方式的優(yōu)點是能夠合理和有序地調(diào)度各類閘孔運行,將設(shè)置有兩級消力池的沖沙閘和節(jié)制閘先開啟運行,待閘下游河道水位上升之后,才開啟泄洪閘運行,以確保攔河閘各類閘孔下游消能工的安全運行,同時簡化了泄洪閘下游消能工,大大節(jié)省了攔河閘下游消能工的投資,便于工程施工;其缺點是攔河閘必須要嚴(yán)格按照各類閘孔調(diào)度運行程序開啟,若一旦閘孔出現(xiàn)誤操作調(diào)度開啟運行(如在初始泄流時,先開啟泄洪閘閘孔運行),則閘下游河道水位較低(閘下游河道最低水位為-1.17m),泄洪閘消力池的下游海漫段將會遭受到嚴(yán)重的沖刷破壞,危及工程的安全運行。
此外,水工模型試驗表明,布置在左、右岸兩側(cè)的4孔沖沙閘單獨運行時(閘上游為正常蓄水位6.3m),閘門開度e≤0.75m運行的閘上游兩岸側(cè)區(qū)域拉沙效果不明顯;當(dāng)4孔沖沙閘閘門開度e≥1.0m運行時,則其下游二級消力池出池流速和海漫段流速v>2.5m/s,易對下游海漫段產(chǎn)生沖刷破壞。
因此,經(jīng)工程設(shè)計、運行管理和水工模型試驗成果等綜合分析之后,雙捷攔河閘重建工程推薦方案布置為:1)將沖沙閘閘室堰頂高程由2.96m抬高至3.26m,其堰頂高程、閘下游消力池布置與節(jié)制閘相同;2)將泄洪閘下游一級消力池方案修改為兩級消力池方案,其下游消能工體型和布置與節(jié)制閘相同。因此,將攔河閘的沖沙閘、節(jié)制閘和泄洪閘合并統(tǒng)稱為泄洪閘,優(yōu)化后的雙捷攔河閘重建工程樞紐平面布置見圖5。28孔攔河閘孔共分為3個區(qū)段,河道中間區(qū)段布置12孔閘,其兩側(cè)分別布置8孔閘。如圖5所示。
圖5 雙捷欄河闡重建工程優(yōu)化方案平面布置示意圖
攔河閘閘孔分為3個區(qū)段,其目的是在正常蓄水位(6.3m)條件下、便于各閘孔的開啟調(diào)度運行。水工模型試驗研究提出的攔河閘閘孔調(diào)度運行的方式為:
(1)在攔河閘初始開啟運行時,可先開啟中間12孔閘孔運行(閘門開度 e≤0.75m、Q≤504m3/s),待泄流穩(wěn)定之后,再開啟左、右兩側(cè)各8孔閘(閘門開度e=0.25m)運行;然后按順序先開啟中間12孔閘、后開啟兩側(cè)各8孔閘(每一級增加的閘門開度△e=0.25m)逐級交替增加閘門開度泄流運行,直至28孔閘的泄洪流量Q≤2540m3/s。
(2)當(dāng)攔河閘上游洪水來流量Q>2540m3/s時,28孔攔河閘閘門全開泄洪,以確保工程的安全運行。
(1)雙捷攔河閘重建工程設(shè)計初擬方案布置有沖沙閘、節(jié)制閘和泄洪閘等三種類型閘型,其作用是希望能夠通過合理和有序地調(diào)度各類閘孔運行,達(dá)到節(jié)省工程投資、便于施工和確保工程安全運行的目的。但該方案需要高素質(zhì)的管理人員和嚴(yán)格的攔河閘調(diào)度運行操作程序,否則將會造成泄洪閘消力池下游海漫段產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞,危及工程的安全運行。
(2)雙捷攔河閘重建工程優(yōu)化方案的各類閘孔調(diào)度運行較方便,調(diào)度運行操作中造成工程出險的機(jī)率較小,但該方案工程投資相對較大,施工期較長。
因此,可在綜合分析攔河閘調(diào)度運行、管理水平、工程投資和施工等因素的基礎(chǔ)上,合理地選擇攔河閘各類閘孔的下游消能工布置方案。
雙捷攔河閘重建工程下游消能工的布置涉及到其閘孔調(diào)度運行、管理水平、工程投資和施工等因素,因此,可在綜合分析各種因素利弊的基礎(chǔ)上,合理地選擇攔河閘各類閘孔下游消能工的布置方案。
本文介紹的雙捷攔河閘重建工程下游消能工的體型優(yōu)化和布置的試驗研究成果,可供類似工程設(shè)計和運行參考。
[1]華東水利學(xué)院.水工設(shè)計手冊(第六卷,泄水與過壩建筑物)[M].北京:水利電力出版社,1982.
[2]廣東省水利水電科學(xué)研究院.漠陽江雙捷引水工程攔河閘重建工程水工模型試驗研究報告[R].廣州:廣東省水利水電科學(xué)研究院,2013.