水闸泄洪消能的安全影响研究

孙勇，郭建斌，蒋涛，冶金祥

（1.江苏省秦淮河水利工程管理处，南京 210001；2.河海大学能源与电气学院，南京 210098）

水工建筑物泄洪时，因上、下游水位差具有较大的动能，极易发生下游消力池和堤岸等附属工程的冲刷受损。长期以来，工程通过消能设计对可能的过流灾害做了一定考虑，受河潮汐涨落、泄洪调度和闸门操作等多因素复杂影响，原有消能设计方案的在役边界工况呈现较大改变和不确定性，极易诱发工程险病灾害的发生和发展。1996年湖南五强溪水电站泄洪时，造成消力池底板出现2 300 m2面积的冲刷淘空巨坑，严重危及整个水工建筑物的安全[1]；2010年辽宁清河水库泄洪洞出口消力池底板出现超过300 m2面积混凝土淘空破坏、大量钢筋裸露拉断[2]。加强在役工程的消能复核，成为确保工程安全运行的关键措施。

杨元平[3]和徐进超[4]等学者，应用水力学计算，解决强潮海域闸下潮位变化剧烈的船闸输水系统的问题；李荣义[5]以实际工程的问题为例，依据水力学计算解决导流明渠及挡水围堰选型和优化设计中的应用；刘柱[6]学者，针对分流河段和水位条件变化条件，应用水力学计算方法，求得各分流建筑物的过流能力及建筑物上下游水位的关系。可以知道，通过水力学计算，是实现在役条件下工程设计复核的有效和可靠的技术。本文拟通过水力学算法，对工程在役的各极限工况组合边界工况下的泄洪消能防冲成效开展研究，以明确消能病害对工程的安全影响。

1 消能复核算法

消能复核通常参考工程消能设计[7-8]进行计算，主要兼顾工程极限运行工况以及历史最大泄洪数据，编制工程在役边界工况开展水力学计算。其水力学计算模型及计算参数见图1所示。参照相关规程规范[9]，工程消能复核算法流程见图2。消能复核各分项计算要素结合式(1)和式(2)开展计算。

式中，Q为过闸流量；为侧收缩系数；m为流量系数；B为闸门净宽；q为单孔流量；E0为有效总能量；hc为第一共轭水深；hc”为第二共轭水深；g为重力加速度；为流速系数；H0为设计水头；为淹没系数；m"为消力墙的流量系数；H1为实际水深；hk为临界水深；V为下游流速。

1.1 消能复核算法的边界工况

考虑整体效益和宏观优先的原则，按照工程最高洪水位、设计洪水位、校核洪水位、历史涨潮最高水位和历史落潮最低水位等极限工况运行数据，兼顾江河潮汐涨落、泄洪调度和闸门操作等多因素复杂影响，编列若干复核边界工况，以极大灾害影响为目标，明确消能复核的边界工况。

1.2 消能成效的评判准则

消能复核成效的评判准则，主要对消能复核计算的数据及成果进行兼顾淹没水跃条件、消力池底允许流速等要素条件作出综合判断，确保水闸及水工建筑物的安全。消能成效的评判准则见表1。

表1 消能成效的评判准则

2 工程消能复核

2.1 工程简介

秦淮新河节制闸位于秦淮新河入江口处，属于II 级水工建筑物，担负防洪、排涝、灌溉、冲污和生态水环境等功能。该节制闸工程共有12 孔闸门，每孔净宽为6 m，闸身总长为87.3 m，潮汐现象明显，其历史最高潮水位为7.24 m，历史最低潮水位为4.52 m，闸门为上下扉门联动启闭。

2.2 复核边界工况

结合新河节制闸工程资料，兼顾泄洪运行情况、潮汐涨落和下泄流量等历史数据，明确本次水闸消能复核影响因素的边界工况见表2。

工程运行边界常数采用：闸总宽为72 m，外海潮位为1.6 m，水闸底板高程为1.5 m，消力池高程为1 m，流速系数为0.95，重力加速度g 为9.81，消力墙流量系数m"为0.40。

2.3 工程复核成果及分析

按照图2所示消能复核流程，对秦淮新河节制闸的在役条件下的消能水力学参数，组织工程消能复核计算，秦淮新河节制闸消能复核计算成果见表3。

1）工程极限边界工况下的消能复核表明，仅在落潮和涨潮时发生淹没水跃，其余工况条件均不发生淹没水跃；

2）工程出现最高洪水位、设计洪水位和校核洪水位时，消力池底坎消能不佳，存在冲刷的病害；

3）长江涨潮发生时，有助于提高工程消能成效，减缓工程泄洪过程中存在的病害的发生；

4）工程在役运行整体上应按中间大开度、两边小开度的“抛物线型”方式，分配调度各闸门开闸泄流量计划。并结合新河闸工程闸门开闸泄流运行特性图（见图3所示），编制合理的闸门开度方案。从而既动态保障过闸泄洪流量，又有效防止消能病害对工程的安全影响。秦淮新河节制闸消能复核计算成果见表3。

图1 水力学计算模型及计算参数示意图

图2 工程消能复核计算流程图

表2 消能复核影响因素的边界工况

表3 秦淮新河节制闸消能复核计算成果

图3 工程闸门开闸泄流运行特性图

3 结语

工程运行管理必须重视在役工程的消能病害复核，编制合理泄洪流量计划和闸门操作方案，防范工程险病发生和发展。

1）受江河潮汐涨落、泄洪调度和闸门操作等因素影响，水闸工程消能的在役边界工况呈现较大改变和不确定，加强在役工程消能复核，成为确保工程安全运行的关键措施。

2）泄洪或排涝时，根据闸门开闸泄流运行特性图，可以编制合理泄洪流量计划和闸门操作方案，以控制过闸泄洪流量，从而有效减少或防止消能病害的发生。

3）工程消能复核成果表明，工程泄洪流量计划编制，必须重视工程在役水文信息的变化进行动态调度，以确保工程安全可靠运行。