黃智敏

東山水閘下游消能工出險(xiǎn)初步分析和度汛研究

黃智敏

東山水閘于2013年汛期前期泄洪造成部分閘孔下游消能工遭受破壞，在出險(xiǎn)閘孔下游消能工初步修復(fù)之后，水閘面臨汛期度汛的問(wèn)題。在水閘下游消能工出險(xiǎn)原因初步分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)樞紐電站運(yùn)行的閘下游水位的分析和水閘下游消力池運(yùn)行水力條件的計(jì)算，提出了水閘各類閘孔和閘門開(kāi)度合理調(diào)度運(yùn)行的度汛方案，得到了水閘調(diào)度運(yùn)行的采用。研究成果可供類似工程運(yùn)行參考。

水閘 消能工 出險(xiǎn) 汛期 運(yùn)行 研究

1 工程概況

東山水利樞紐工程位于廣東省豐順縣境內(nèi)的韓江干流上，是一座具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水和灌溉等綜合效益的樞紐工程。東山水利樞紐工程為Ⅰ等大（1）型工程，主要由攔河水閘、電站、船閘和擋水壩段等組成。

攔河水閘布置19孔閘，水閘單孔閘凈寬14 m，中墩和縫墩厚各為2.5 m和3 m，閘室泄水凈寬為266 m、總寬度為318.5 m。水閘閘室溢流堰為平底寬頂堰，堰頂高程為15.5 m，閘室堰板末端以1∶4的斜坡段與下游消力池連接；消力池池底高程為12.5 m，水平段池長(zhǎng)26 m，池深1.5 m，池末尾坎頂高程14.0 m；消力池尾坎末端接15 m長(zhǎng)水平海漫段后，再接坡度為1∶15的斜坡海漫段，斜坡海漫段末端接防沖槽（見(jiàn)圖1）。

圖1 東山水閘下游消能工現(xiàn)狀布置剖面圖(單位：m)

樞紐閘址控制集水面積27 502 km2，樞紐工程正常蓄水位為25.5 m（珠基，下同），設(shè)計(jì)洪水頻率為50年一遇（P=2%），相應(yīng)泄洪流量Q=15 431 m3/s；校核洪水頻率為200年一遇（P=0.5%），相應(yīng)泄洪流量Q=18 807 m3/s。

東山水閘于2008年7月建成運(yùn)行。2013年4月底，在水閘開(kāi)閘泄洪期間，其4#～13#閘孔的閘室下游陡坡段和消力池產(chǎn)生不同程度的破壞。本文在東山水閘出險(xiǎn)原因初步分析的基礎(chǔ)上，對(duì)2013年汛期水閘閘門開(kāi)啟調(diào)度運(yùn)行方式進(jìn)行研究，供類似工程運(yùn)行管理參考。

2 水閘下游消力池出險(xiǎn)及初步分析

2.1 消力池出險(xiǎn)情況和搶險(xiǎn)應(yīng)急措施

2013年4月28日約9時(shí)，東山水閘開(kāi)閘泄洪，當(dāng)時(shí)閘上游水位約25.5 m，泄洪流量約2 270 m3/s，其4#～13#閘孔的下游陡坡段和消力池產(chǎn)生不同程度的破壞，閘室下游陡坡段和消力池底板開(kāi)裂、不均勻沉降、錯(cuò)縫上突等。其中7#閘孔和13#閘孔的閘室底板末端與其下游陡坡段交界區(qū)域的淘刷深度分別約為5.8 m（底高程約9.7 m）和4.2 m（底高程約11.3 m），4#～7#閘孔和12#～13#閘孔閘室下游陡坡段混凝土底板均有不同程度的上凸，最大上凸高度達(dá)2 m。

針對(duì)水閘下游陡坡段和消力池底板破壞情況，采取的搶險(xiǎn)應(yīng)急措施為：

（1）閘室下游陡坡段底板上凸高度小于0.5 m的混凝土塊，先鑿除凸起的混凝土塊，對(duì)淘空部位充填沙石混合料和水下混凝土，然后采用C30混凝土澆筑復(fù)蓋保護(hù)；閘室下游陡坡段底板上凸高度大于0.5 m的混凝土塊，首先鑿除凸起的部分混凝土塊，對(duì)淘空部位充填沙石混合料，然后在填充料和上凸斜板之間充填C30混凝土，待后期再鑿除超出設(shè)計(jì)高程的凸起斜板塊。

（2）對(duì)于閘室下游陡坡段和消力池底板開(kāi)裂、不均勻沉降等，先對(duì)沖刷部位充填沙石料，鑿除凸起塊體和植入鋼筋，再澆筑C30混凝土復(fù)蓋保護(hù)。

2.2 出險(xiǎn)的原因初步分析

水閘下游陡坡段和消力池底板遭受破壞之后，對(duì)其破壞的原因進(jìn)行了初步的檢查和分析：

（1）水閘閘室上游防滲設(shè)施部分失效，閘室下游消力池底板部分排水孔被堵塞等，造成閘室下游陡坡段和消力池底板的揚(yáng)壓力明顯增大，當(dāng)揚(yáng)壓力大于閘室下游陡坡段和消力池底板的承載力時(shí)，造成下游陡坡段和消力池底板開(kāi)裂、沉降、上凸等。

（2）近年來(lái)，由于東山水閘下游河道人為無(wú)序采沙現(xiàn)象較為嚴(yán)重，導(dǎo)致水閘下游河道河床下切、水位降低較明顯。根據(jù)近期的實(shí)測(cè)資料和分析，在中小洪水流量泄流運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)狀的水閘下游河道水位比2005年的東山水閘可行性研究階段的閘址下游河道水位相應(yīng)降低1～1.5 m（東山水閘2005年可行性研究階段的閘址下游河道最低水位Z=14.5 m，見(jiàn)圖2）。

圖2 東山水閘2005年可研階段閘址Z-Q關(guān)系曲線

因此，水閘下游河道水位降低之后，閘下游消力池的水深減小，降低了池內(nèi)水流消能率，增大了池內(nèi)出現(xiàn)水流漩滾回流、折沖水流的可能性，增加了出閘水流對(duì)下游陡坡段和消力池底板的沖擊作用，不利于工程的安全運(yùn)行。

3 汛期度汛方案研究

3.1 汛期度汛方案的思路

東山水閘下游陡坡段和消力池底板遭受破壞、采取相應(yīng)的搶險(xiǎn)應(yīng)急措施之后，其下游陡坡段和消力池尚無(wú)法進(jìn)行除險(xiǎn)加固改造，需進(jìn)行2013年汛期的泄洪度汛。為了確保水閘壩的安全度汛，汛期度汛方案的基本思路為：

（1）在小洪水流量情況下，應(yīng)盡量采用電站機(jī)組發(fā)電泄洪。

（2）在上游洪水來(lái)流量大于電站機(jī)組發(fā)電流量時(shí)，先開(kāi)啟完好的9孔閘（1#～3#和14#～19#）泄洪，然后視完好的9孔閘泄洪的下游消力池運(yùn)行情況，再考慮開(kāi)啟經(jīng)搶險(xiǎn)應(yīng)急措施之后的10孔閘泄洪運(yùn)行。

3.2 水閘泄流及消力池消能計(jì)算

根據(jù)擬定的汛期度汛方案的思路，首先對(duì)水閘泄流及消力池消能進(jìn)行水力計(jì)算。

3.2.1 水閘各級(jí)閘門開(kāi)度泄流能力

東山水閘下游消力池出險(xiǎn)后，閘上游水位在23.0～24.0 m供電站發(fā)電運(yùn)行?？紤]水閘度汛運(yùn)行較不利的情況，以水閘上游水位24.0 m為各級(jí)閘門開(kāi)度e度汛泄洪的上游水位。采用水閘閘孔自由泄流流量計(jì)算公式（見(jiàn)式（1）、式（2）），計(jì)算的各級(jí)閘門開(kāi)度e的閘孔泄流單寬流量q見(jiàn)表1。

水閘閘孔自由泄流流量計(jì)算公式[1-2]：

式中 μ——閘孔平板閘門流量系數(shù)；

g——重力加速度；

H0——包括行近流速水頭的閘上游總水頭；

e——閘門開(kāi)度；

H——閘上游水頭。

表1 閘孔泄流單寬流量q計(jì)算表

3.2.2 水閘下游消力池消能

在水閘上游水位23.0～24.0 m條件下，電站機(jī)組發(fā)電運(yùn)行的水閘下游水位為16.5～17.0 m。考慮到水閘度汛泄洪的較不利的運(yùn)行水力條件，以水閘上游水位24.0 m、閘下游水位16.5 m的運(yùn)行狀況，并取消力池進(jìn)口斷面流速系數(shù)φ=0.94～0.95，由文獻(xiàn)[3]有關(guān)消力池計(jì)算公式計(jì)算的水閘下游消力池池長(zhǎng)和池深值見(jiàn)表2。

在水閘下游水位為16.5 m條件下，由于水閘下游河道較寬闊，水閘開(kāi)閘泄洪之后，閘下游河道水位上升至穩(wěn)定尚需一段較長(zhǎng)的時(shí)間。由表2可見(jiàn)，在電站發(fā)電運(yùn)行的水閘下游水位為16.5 m條件下，若完好的9孔閘（1#～3#和14#～19#）突然開(kāi)啟至開(kāi)度e=0.8 m運(yùn)行時(shí)，則下游消力池池深需達(dá)約1.62 m，現(xiàn)狀的消力池池深（S=1.5 m）無(wú)法滿足要求。水閘的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，在電站發(fā)電的閘下游河道水位16.5～17.0 m條件下，當(dāng)完好的閘孔（1#～3#和14#～19#）快速開(kāi)啟至開(kāi)度e＞0.8 m運(yùn)行時(shí)，閘下游消力池水流洶涌湍急，池內(nèi)和池下游水流形成較明顯的水頭落差，出池水流直沖下游海漫段，不利于工程安全，因此，在完好的9孔閘單獨(dú)泄洪運(yùn)行時(shí)，水閘閘門開(kāi)度應(yīng)限制為e≤0.8 m運(yùn)行。

表2 各級(jí)閘門開(kāi)度e的下游消力池池長(zhǎng)和池深計(jì)算表

3.3 汛期度汛方案的措施

由表1、2的計(jì)算結(jié)果分析，在現(xiàn)狀的水閘上游水位Z1=24.0 m、閘下游水位約為16.5 m的條件下，經(jīng)分析提出的東山水閘2013年汛期度汛方案為：

（1）在電站發(fā)電運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可將完好的9孔閘（1#～3#、14#～19#）閘門開(kāi)度e開(kāi)啟為e≤0.8 m運(yùn)行。

（2）若水閘上游洪水來(lái)流量增大，可在完好的9孔閘開(kāi)啟開(kāi)度e=0.7～0.8 m運(yùn)行的基礎(chǔ)上，根據(jù)出險(xiǎn)的10孔閘（4#～13#）下游消能工損壞和修復(fù)情況，將其閘門先開(kāi)啟e=0.1 m開(kāi)度運(yùn)行 （閘室下游陡坡段和消力池底板破壞較為嚴(yán)重的閘孔，可暫緩開(kāi)啟）；待各閘孔泄流穩(wěn)定和閘下游水位上升之后 （出險(xiǎn)修復(fù)的約10孔閘開(kāi)啟e=0.1 m開(kāi)度運(yùn)行之后，閘下游水位增加0.2～0.3 m），再將完好的9孔閘閘門增加Δe=0.1 m開(kāi)度 （即閘門開(kāi)度e=0.8～0.9 m）運(yùn)行；待完好的9孔閘泄流穩(wěn)定和閘下游水位上升之后，再將出險(xiǎn)初步修復(fù)的10孔閘增加Δe=0.1 m開(kāi)度（即閘門開(kāi)度e=0.2 m）運(yùn)行；······。由此類推，將完好的9孔閘和出險(xiǎn)初步修復(fù)的10孔閘閘門循環(huán)交替開(kāi)啟 （每一次增加的閘門開(kāi)度Δe=0.1 m；閘室下游陡坡段和消力池底板破壞較為嚴(yán)重的個(gè)別閘孔，可在水閘上、下游水位差ΔZ＜0.5 m時(shí)，才逐漸開(kāi)啟泄洪)，逐漸增大各閘孔閘門開(kāi)度、泄流量和水閘下游水位，直至19孔閘閘門全部開(kāi)啟至全開(kāi)泄洪。

本文提出的水閘汛期度汛方案，得到了水閘調(diào)度運(yùn)行的采用，并順利完成了水閘的2013年汛期度汛。

4 結(jié)語(yǔ)

2013年4月底，東山水閘泄洪造成部分閘孔下游陡坡段和消力池遭受破壞，在出險(xiǎn)閘孔下游消能工初步修復(fù)的基礎(chǔ)上，水閘面臨著汛期度汛的問(wèn)題。本文在水閘下游消能工出險(xiǎn)原因初步分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)水閘樞紐電站運(yùn)行的閘下游水位實(shí)際情況，通過(guò)計(jì)算和分析水閘下游消力池的運(yùn)行水力條件，提出了完好閘孔和出險(xiǎn)初步修復(fù)閘孔合理調(diào)度運(yùn)行的汛期度汛方案，得到了水閘調(diào)度運(yùn)行的采用。本文的成果可供類似工程運(yùn)行參考。

[1]武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室.水力計(jì)算手冊(cè)（第2版）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[2]華東水利學(xué)院主編.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第1卷 基礎(chǔ)理論）[M].北京：水利電力出版社，1982.

[3]SL 265—2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

TV131.4

B

1007-6980（2015）04-0048-03

2015-08-18）

黃智敏 男 教授級(jí)高級(jí)工程師 廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣東廣州 510635