新型消能布置形式在瓯飞东2#闸中的应用研究

屠兴刚，陈卫辉，包纯毅，徐 岗

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.温州市瓯飞开发建设管理委员会，浙江 温州 325000;3.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

1 工程概况

温州市瓯飞一期围垦工程位于瓯飞滩区域高滩区域范围，地理位置为北纬 27°56'5″～27°40'48″，东经 120°55'13″～120°41'6″。南、北边界分别是飞云江及瓯江河口边界的外延线，东边大致平行龙湾二期堤线。

工程围涂区面积0.89万hm2，海堤堤线总长36.66km，北堤4.30km，东堤28.85km，南堤3.51km(见图1)。工程共布置6座水闸，均为软基闸。其中，东2#闸布置在直面大海的东堤上，水闸中心线桩号23+700m。

图1 工程位置示意图

东2#闸为纳排闸，设计排涝标准 (重现期)50a一遇，设计挡潮标准 (重现期)50a一遇。水闸净宽40.0m，闸底高程-3.0m，共设5孔，闸孔净宽采用8.0m。

基础处理采用真空排水预压法结合钻孔灌注桩，以达到控制软土地基沉降变形的目的。

闸室全长22.0m，中墩宽度2.0m，边墩宽度1.0m，上下游闸墩墩头均采用流线型，闸室分为3个单元，两侧两孔一联，中间一孔一联，总宽度50.0m。

闸室上设有箱型管道间，净宽6.0m，顶面高程11.0m(胸墙顶高程11.8m)，底高程5.3m。

闸上设检修平台，上游检修平台高程5.3m，下游检修平台高程11.0m。

闸室两侧为C40混凝土空箱岸墙，空箱宽15.0m，长22.0m，岸墙两侧设空箱式结构与土石海堤衔接。空箱与堤顶同宽为8.0m，顶面高程为11.0m，与海堤堤顶7.8m高程以32.0m渐变斜坡连通。

交通桥位于围区侧，桥中心线距闸室10.3m，桥面高程为5.3m，桥面总宽10.0m，两侧与海堤4.5m高程路面衔接。

闸室岸墙两侧，设高程渐变的空箱结构，与两侧东堤相接，空箱基础均采用钻孔灌注桩处理。

上下游两侧采用与东堤一致的抛石断面与海堤衔接，过水断面由矩型扩大为梯形，上下游的消力池适当扩大面积，与两侧的合金笼网石兜护坡相接。闸室上下游设消力池、护底和海漫与涂面衔接。

围区近期养殖常水位0.50m，近期起调水位0.50m，远期正常蓄水位2.50m;外海多年平均潮位0.29m，平均低潮位-1.87m;设计排涝洪水位3.55m，设计最大排涝流量772.0m3/s，最大单宽流量19.3m3/(s.m)，最大排涝水位差5.42m。

为验证新型消能布置形式对东2#闸闸下消能防冲的效果，特对东2#闸进行了常规消能布置与新型消能布置2种不同形式的比较研究。

2 研究方法

采用正态物理模型的方法进行研究，模型按重力相似准则设计，整体模型几何比尺Lr=50。闸上河道模拟500.0m以上，闸下约300.0m，左右宽度约500.0m。其中闸室部位采用有机玻璃精制，上下游地形严格按设计提供的图纸控制放样，采用断面板法，水泥砂浆抹面制作。并在相应位置布置水位测针。模型设计、模型制作及安装、试验测试仪器和测试方法均满足SL 155—2012《水工常规模型试验规程》的要求。

3 应用研究

3.1 常规消能布置形式水力特性

3.1.1 工程布置

闸室下游设二级消力池，一级消力池池长25.0m，池深1.5m，底板高程为-4.5m;二级消力池池长25.0m，池深1.5m，底板高程为-4.5m;二级消力池后接24.0m海漫段，海漫高程为-5.0m。防冲槽高程为-5.0m，防冲槽宽18.6m、深3.0m，前后由1∶3坡连接，采用大块石抛填。闸室及消力池两侧岸 (翼)墙采用空箱式结构，其余各处翼墙均采用扶壁式结构。翼墙基础采用直径80cm的C80PHC预应力管桩处理。工程平面布置见图2。

3.1.2 闸下水流流态及消能情况

在消能工况下，两级消力池内均能形成稳定的水跃，一级消力池跃首发生在闸墩墩尾下游4.0m(0+014m)左右，跃首断面平均流速约为8.4m/s，Fr=1.81。二级消力池跃首发生在桩号0+040m左右，其断面平均流速约为5.6m/s，Fr=1.00。由于外海潮位较低，海漫上为急流流态，海漫末端桩号0+080m断面平均流速为9.3m/s，Fr=2.61。其流态见图3。

3.1.3 口门冲刷情况

由于受两侧翼墙影响，主流较为集中，在铺设防冲槽的情况下，防冲槽受到破坏、末端出现坍塌现象。冲刷主要集中在闸室中心线附近，宽度约与闸室等宽，最深点约在中心线左右两侧20.0m、距海漫末端40.0m的位置，左侧冲刷至-12.5m(冲深7.5m)、右侧冲刷至-13.0m(冲深8.0m)。冲坑形态见图4。

图2 常规消能布置平面图

图3 常规消能布置形式消能流态图

图4 常规消能布置形式冲坑形态图

3.2 新型消能布置形式水力特性

3.2.1 工程布置

闸室下游设二级消力池，一级消力池池长25.0m，池深1.5m，底板高程为-4.5m;二级消力池池长25.0m，池深1.5m，底板高程为-4.5m;二级消力池后接24.0m海漫段，海漫高程为-5.0m。防冲槽高程为-5.0m，防冲槽宽18.6m、深3.0m，前后由1∶3坡连接，采用大块石抛填。上下游翼墙及基础处理采用与东堤一致的抛石断面，过水断面由矩型扩大为梯形，上下游的消力池适当扩大面积，与两侧的合金笼网石兜护坡相接。闸室岸墙两侧，设高程渐变的空箱结构，与两侧东堤相接，空箱基础均采用钻孔灌注桩处理。平面布置见图5。

图5 新型消能布置平面图

3.2.2 闸下水流流态及消能情况

在消能工况下，2级消力池内均能形成稳定的水跃，一级消力池跃首位置:两边孔在闸墩墩尾下游10.2m(0+020m)左右，中间3孔在闸墩墩尾下游8.7m(0+018.5m)左右;跃首断面平均流速约为9.4m/s，Fr=2.24，跃尾发生在距离闸墩墩尾约17.5m(0+027.3m)处，水流在一级消力池左右两侧圆弧与坎之间有2个较小回流区;一级消力池坎后断面平均流速约为6.2m/s，Fr=1.17。二级消力池能够形成完整的水跃，跃首发生在桩号0+043.8m左右，其断面平均流速约为5.8m/s，Fr=1.32，跃尾发生在桩号0+054.8m左右;二级消力池坎后断面平均流速约为4.7m/s，Fr=1.02。2级消力池总消能率为24%。由于海漫末端高程较原方案降低1.0m(-5.0m高程)，因此，外海潮位较低时水流在海漫上仍能形成水跃，水跃约发生在桩号0+079m左右，其断面平均流速约为6.6m/s，Fr=2.06，跃尾发生在桩号0+085.5m附近;海漫末端断面平均流速约为3.0m/s，Fr=0.57，至海漫末端总消能率为42%。流态见图6。

3.2.3 口门冲刷情况

在海漫下游设防冲槽的情况下，水流在海漫上形成淹没水跃，防冲槽基本保持完整，只在防冲槽末端两侧有小幅度塌落，总体冲刷较小，最深点出现在桩号0+105m左右，垂直闸室中心线约70.0m，冲坑最深点高程约-6.7m(冲深1.7m)。冲坑形态见图7。

图6 新型消能布置形式消能流态图

图7 新型消能布置形式冲坑形态图

3.3 消能效果对比分析

常规消能布置形式的滨海水闸，其闸下破坏往往发生在较低潮位时。新型消能布置形式可以有效改善闸下低潮位时的消能防冲情况，2种布置形式在低潮位时的消能防冲效果对比见表1。

表1 消能防冲效果对比表

工程中新型消能布置形式将海漫末端高程降低，在低潮位时在海漫上产生水跃，改变了出闸流态，海漫末端流态由急流变成缓流，使得总体消能率大大提高。冲深也由常规消能布置的5.00m减小至1.70m，对闸下防护有利。从消能情况来看，新型消能布置优于常规消能布置。

4 结语

瓯飞一期围垦工程东2#闸为低水头水闸，属于低佛氏数消能，闸下河床质为淤泥，起动流速很低，极易被冲刷。水工模型试验表明，原设计方案的常规消能布置形式存在基础开挖困难、堤脚盘头冲刷严重、防冲槽维护费用高等缺点。文章通过常规消能形式及新型消能形式的对比试验，发现新型消能形式具有改善闸下流态、增大消能率、减轻闸下冲刷、节省工程投资等优点，具有较大优势，对类似滨海水闸工程具有一定的推广应用价值。

［1］屠兴刚.温州市瓯飞一期围垦工程东2#闸水工模型试验研究报告［R］.杭州:浙江省水利河口研究院，2014.

［2］韩晓维.温州市瓯飞一期围垦工程北1、北2闸水工模型试验研究报告［R］.杭州:浙江省水利河口研究院，2014.

［3］史斌，包中进，陆芳春.曹娥江枢纽闸下冲刷试验研究 ［J］.浙江水利科技，2004(6):32-34.

［4］史斌，陆芳春，包中进.感潮河口闸下软基冲刷模拟与实践［J］.长江科学院院报，2005，22(4):19-21.

［5］包中进，陆芳春，史斌.浙江省曹娥江大闸水力特性试验研究［J］.中国农村水利水电，2005(5):60-63.