东山水闸下游消能工出险初步分析和度汛研究

黄智敏

东山水闸下游消能工出险初步分析和度汛研究

黄智敏

东山水闸于2013年汛期前期泄洪造成部分闸孔下游消能工遭受破坏，在出险闸孔下游消能工初步修复之后，水闸面临汛期度汛的问题。在水闸下游消能工出险原因初步分析的基础上，通过对枢纽电站运行的闸下游水位的分析和水闸下游消力池运行水力条件的计算，提出了水闸各类闸孔和闸门开度合理调度运行的度汛方案，得到了水闸调度运行的采用。研究成果可供类似工程运行参考。

水闸 消能工 出险 汛期 运行 研究

1 工程概况

东山水利枢纽工程位于广东省丰顺县境内的韩江干流上，是一座具有防洪、发电、航运、供水和灌溉等综合效益的枢纽工程。东山水利枢纽工程为Ⅰ等大（1）型工程，主要由拦河水闸、电站、船闸和挡水坝段等组成。

拦河水闸布置19孔闸，水闸单孔闸净宽14 m，中墩和缝墩厚各为2.5 m和3 m，闸室泄水净宽为266 m、总宽度为318.5 m。水闸闸室溢流堰为平底宽顶堰，堰顶高程为15.5 m，闸室堰板末端以1∶4的斜坡段与下游消力池连接；消力池池底高程为12.5 m，水平段池长26 m，池深1.5 m，池末尾坎顶高程14.0 m；消力池尾坎末端接15 m长水平海漫段后，再接坡度为1∶15的斜坡海漫段，斜坡海漫段末端接防冲槽（见图1）。

图1 东山水闸下游消能工现状布置剖面图(单位：m)

枢纽闸址控制集水面积27 502 km2，枢纽工程正常蓄水位为25.5 m（珠基，下同），设计洪水频率为50年一遇（P=2%），相应泄洪流量Q=15 431 m3/s；校核洪水频率为200年一遇（P=0.5%），相应泄洪流量Q=18 807 m3/s。

东山水闸于2008年7月建成运行。2013年4月底，在水闸开闸泄洪期间，其4#～13#闸孔的闸室下游陡坡段和消力池产生不同程度的破坏。本文在东山水闸出险原因初步分析的基础上，对2013年汛期水闸闸门开启调度运行方式进行研究，供类似工程运行管理参考。

2 水闸下游消力池出险及初步分析

2.1 消力池出险情况和抢险应急措施

2013年4月28日约9时，东山水闸开闸泄洪，当时闸上游水位约25.5 m，泄洪流量约2 270 m3/s，其4#～13#闸孔的下游陡坡段和消力池产生不同程度的破坏，闸室下游陡坡段和消力池底板开裂、不均匀沉降、错缝上突等。其中7#闸孔和13#闸孔的闸室底板末端与其下游陡坡段交界区域的淘刷深度分别约为5.8 m（底高程约9.7 m）和4.2 m（底高程约11.3 m），4#～7#闸孔和12#～13#闸孔闸室下游陡坡段混凝土底板均有不同程度的上凸，最大上凸高度达2 m。

针对水闸下游陡坡段和消力池底板破坏情况，采取的抢险应急措施为：

（1）闸室下游陡坡段底板上凸高度小于0.5 m的混凝土块，先凿除凸起的混凝土块，对淘空部位充填沙石混合料和水下混凝土，然后采用C30混凝土浇筑复盖保护；闸室下游陡坡段底板上凸高度大于0.5 m的混凝土块，首先凿除凸起的部分混凝土块，对淘空部位充填沙石混合料，然后在填充料和上凸斜板之间充填C30混凝土，待后期再凿除超出设计高程的凸起斜板块。

（2）对于闸室下游陡坡段和消力池底板开裂、不均匀沉降等，先对冲刷部位充填沙石料，凿除凸起块体和植入钢筋，再浇筑C30混凝土复盖保护。

2.2 出险的原因初步分析

水闸下游陡坡段和消力池底板遭受破坏之后，对其破坏的原因进行了初步的检查和分析：

（1）水闸闸室上游防渗设施部分失效，闸室下游消力池底板部分排水孔被堵塞等，造成闸室下游陡坡段和消力池底板的扬压力明显增大，当扬压力大于闸室下游陡坡段和消力池底板的承载力时，造成下游陡坡段和消力池底板开裂、沉降、上凸等。

（2）近年来，由于东山水闸下游河道人为无序采沙现象较为严重，导致水闸下游河道河床下切、水位降低较明显。根据近期的实测资料和分析，在中小洪水流量泄流运行时，现状的水闸下游河道水位比2005年的东山水闸可行性研究阶段的闸址下游河道水位相应降低1～1.5 m（东山水闸2005年可行性研究阶段的闸址下游河道最低水位Z=14.5 m，见图2）。

图2 东山水闸2005年可研阶段闸址Z-Q关系曲线

因此，水闸下游河道水位降低之后，闸下游消力池的水深减小，降低了池内水流消能率，增大了池内出现水流漩滚回流、折冲水流的可能性，增加了出闸水流对下游陡坡段和消力池底板的冲击作用，不利于工程的安全运行。

3 汛期度汛方案研究

3.1 汛期度汛方案的思路

东山水闸下游陡坡段和消力池底板遭受破坏、采取相应的抢险应急措施之后，其下游陡坡段和消力池尚无法进行除险加固改造，需进行2013年汛期的泄洪度汛。为了确保水闸坝的安全度汛，汛期度汛方案的基本思路为：

（1）在小洪水流量情况下，应尽量采用电站机组发电泄洪。

（2）在上游洪水来流量大于电站机组发电流量时，先开启完好的9孔闸（1#～3#和14#～19#）泄洪，然后视完好的9孔闸泄洪的下游消力池运行情况，再考虑开启经抢险应急措施之后的10孔闸泄洪运行。

3.2 水闸泄流及消力池消能计算

根据拟定的汛期度汛方案的思路，首先对水闸泄流及消力池消能进行水力计算。

3.2.1 水闸各级闸门开度泄流能力

东山水闸下游消力池出险后，闸上游水位在23.0～24.0 m供电站发电运行。考虑水闸度汛运行较不利的情况，以水闸上游水位24.0 m为各级闸门开度e度汛泄洪的上游水位。采用水闸闸孔自由泄流流量计算公式（见式（1）、式（2）），计算的各级闸门开度e的闸孔泄流单宽流量q见表1。

水闸闸孔自由泄流流量计算公式[1-2]：

式中 μ——闸孔平板闸门流量系数；

g——重力加速度；

H0——包括行近流速水头的闸上游总水头；

e——闸门开度；

H——闸上游水头。

表1 闸孔泄流单宽流量q计算表

3.2.2 水闸下游消力池消能

在水闸上游水位23.0～24.0 m条件下，电站机组发电运行的水闸下游水位为16.5～17.0 m。考虑到水闸度汛泄洪的较不利的运行水力条件，以水闸上游水位24.0 m、闸下游水位16.5 m的运行状况，并取消力池进口断面流速系数φ=0.94～0.95，由文献[3]有关消力池计算公式计算的水闸下游消力池池长和池深值见表2。

在水闸下游水位为16.5 m条件下，由于水闸下游河道较宽阔，水闸开闸泄洪之后，闸下游河道水位上升至稳定尚需一段较长的时间。由表2可见，在电站发电运行的水闸下游水位为16.5 m条件下，若完好的9孔闸（1#～3#和14#～19#）突然开启至开度e=0.8 m运行时，则下游消力池池深需达约1.62 m，现状的消力池池深（S=1.5 m）无法满足要求。水闸的现场试验显示，在电站发电的闸下游河道水位16.5～17.0 m条件下，当完好的闸孔（1#～3#和14#～19#）快速开启至开度e＞0.8 m运行时，闸下游消力池水流汹涌湍急，池内和池下游水流形成较明显的水头落差，出池水流直冲下游海漫段，不利于工程安全，因此，在完好的9孔闸单独泄洪运行时，水闸闸门开度应限制为e≤0.8 m运行。

表2 各级闸门开度e的下游消力池池长和池深计算表

3.3 汛期度汛方案的措施

由表1、2的计算结果分析，在现状的水闸上游水位Z1=24.0 m、闸下游水位约为16.5 m的条件下，经分析提出的东山水闸2013年汛期度汛方案为：

（1）在电站发电运行的基础上，可将完好的9孔闸（1#～3#、14#～19#）闸门开度e开启为e≤0.8 m运行。

（2）若水闸上游洪水来流量增大，可在完好的9孔闸开启开度e=0.7～0.8 m运行的基础上，根据出险的10孔闸（4#～13#）下游消能工损坏和修复情况，将其闸门先开启e=0.1 m开度运行 （闸室下游陡坡段和消力池底板破坏较为严重的闸孔，可暂缓开启）；待各闸孔泄流稳定和闸下游水位上升之后 （出险修复的约10孔闸开启e=0.1 m开度运行之后，闸下游水位增加0.2～0.3 m），再将完好的9孔闸闸门增加Δe=0.1 m开度 （即闸门开度e=0.8～0.9 m）运行；待完好的9孔闸泄流稳定和闸下游水位上升之后，再将出险初步修复的10孔闸增加Δe=0.1 m开度（即闸门开度e=0.2 m）运行；······。由此类推，将完好的9孔闸和出险初步修复的10孔闸闸门循环交替开启 （每一次增加的闸门开度Δe=0.1 m；闸室下游陡坡段和消力池底板破坏较为严重的个别闸孔，可在水闸上、下游水位差ΔZ＜0.5 m时，才逐渐开启泄洪)，逐渐增大各闸孔闸门开度、泄流量和水闸下游水位，直至19孔闸闸门全部开启至全开泄洪。

本文提出的水闸汛期度汛方案，得到了水闸调度运行的采用，并顺利完成了水闸的2013年汛期度汛。

4 结语

2013年4月底，东山水闸泄洪造成部分闸孔下游陡坡段和消力池遭受破坏，在出险闸孔下游消能工初步修复的基础上，水闸面临着汛期度汛的问题。本文在水闸下游消能工出险原因初步分析的基础上，根据水闸枢纽电站运行的闸下游水位实际情况，通过计算和分析水闸下游消力池的运行水力条件，提出了完好闸孔和出险初步修复闸孔合理调度运行的汛期度汛方案，得到了水闸调度运行的采用。本文的成果可供类似工程运行参考。

[1]武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室.水力计算手册（第2版）[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[2]华东水利学院主编.水工设计手册（第1卷 基础理论）[M].北京：水利电力出版社，1982.

[3]SL 265—2001水闸设计规范[S].

TV131.4

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1007-6980（2015）04-0048-03

2015-08-18）

黄智敏 男 教授级高级工程师 广东省水利水电科学研究院 广东广州 510635