高岭拦河闸重建工程泄流能力及消能防冲设计

颜晓梅

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

1 工程概况

高岭拦河闸位于化州市杨梅镇高岭村东面、鉴江下游、化州水文站以下8 km处，属鉴江第四级拦河工程，是以灌溉、供水为主，结合航运的大型拦河水闸工程[1]。 工程等别为Ⅰ等，工程规模为大(1)型。工程最大泄量超过5 000 m3/s，考虑本工程结构较常规、地质条件单一、影响建筑物安全的不确定性因素较少，而且拦河建筑物挡水高度不高，下游无重要的保护对象，工程失事后对下游造成的损失不大，泄洪时闸门全开河道亦恢复天然状态，因此，根据工程的具体情况，建筑物拟降低一级设计，将本工程主要建筑拦河闸、水轮泵站、船闸、连接段的建筑物级别定为2级，次要永久性建筑物导墙、护坡等为3级，临时建筑物为4级[2-3]。 船闸按照Ⅶ(2)级通航标准设计[4]，工程地震基本烈度为Ⅶ度[5]。

拦河闸布置在河床中间，单孔净宽为15.0 m，共16孔，泄流总净宽为240 m，采用两孔一联整体式结构。闸底板顺水流方向长为22.0 m，闸顶顺水流方向长为26.5 m。边墩厚度为1.5 m，中墩厚度为2.0 m，缝墩厚度3.0 m，总挡水宽度为284.14 m。

拦河闸顺水流向依次布置有砼护底、闸室、消力池、海漫、防冲槽。闸室上游设长22.7 m，厚0.5 m砼护底。在闸室上游齿槽底部设置0.6 m厚砼防渗墙，下游布置分区消力池。边孔消力池总长度为42.5 m，池深为1.5 m。其中：斜坡段长为16 m，水平段长为26.5 m，斜坡段以1:4的坡度接至水平段。中间5孔消力池总长度为42.5 m，池深为1.5 m。其中：斜坡段长为20 m，水平段长为22.5 m，斜坡段以1:4的坡度接至水平段。

消力池末端设置40 m长的海漫，坡比为1:30，前段长为15.9 m，后段长为24.1 m[6]。

2 水闸泄流能力计算及试验

2.1 泄流能力计算

水闸泄流能力计算根据 《水闸设计规范》(SL 265—2001)公式(A.0.1-1)：

(1)

式中Q为过闸流量，m3/s；B0为闸孔总净宽，m；H0为计入行进流速水头的堰上水深，对于闸前水面较宽的水闸，不应计入行近流速，m；g为重力加速度，9.81 m/s2；m为堰流流量系数，取0.385；σ为堰流淹没系数；ε为堰流侧收缩系数，取0.972。以上各系数的取值和计算见《水闸设计规范》(SL 265—2001)公式(A.0.2-1)：

(2)

式中μ0为淹没堰流的综合流量系数；hs为由堰顶算起的下游水深，m。

泄流能力计算成果见表1。

表1 泄流能力计算成果

2.2 水工模型试验成果[7]

为论证设计方案的合理性，开展了高岭拦河闸重建工程水工模型试验研究，包括断面模型试验和整体模型试验。

1) 断面模型试验成果

通过分别建立中间5孔和左右两侧11孔闸的断面模型，进行闸门局部开启运行试验和闸门全开运行试验。从局部开启运行试验成果可见，中间单元5孔闸在各种闸门开度运行时，消力池消能工布置基本满足设计要求。从闸门全开运行试验成果可见，闸上、下游的水面线较平顺，消力池及海漫段的水流顺畅，只要严格遵守试验提出的闸门运行操作规程运行，高岭拦河闸设计方案可行，工程运行安全。

2) 整体模型试验成果

在设计提供的拦河闸下游水位—流量关系条件下，在设计洪水频率(P=2%)和校核洪水频率(P=0.5%)流量泄流运行时，其泄流能力见表2。从表2可知，水闸泄流能力可满足工程设计要求。

表2 泄流能力试验成果

2.3 成果对比分析

从表1可知，在设计、校核洪水泄流时，2种计算公式闸、坝上、下游水头差均在0.3 m内，闸、坝的泄流能力满足要求；从表2水工模型试验的成果可知，该成果介于公式(A.0.1)与公式(A.0.2)计算成果之间；考虑公式(A.0.2)的适用范围是hs/H0≥0.9的条件，而在本次计算中，设计、校核洪水泄洪均满足该适用条件；因此，从偏于安全考虑，本报告采用公式(A.0.2)的计算结果。

拦河闸采用单孔净宽为15.0 m，共16孔，泄流总净宽为240 m的布置方案。

3 水闸消能防冲设计[8]

3.1 消能防冲设计过程

1) 可研阶段经过理论计算，初步确定消力池的深度、长度等主要结构尺寸。

2) 根据初步确定的尺寸提供给水工模型试验，通过水工断面及整体模型试验确定消力池深度、长度等主要结构尺寸。

3) 在初步设计阶段，根据可研审查及复核意见，通过理论计算及水工模型试验复核成果，初步确定调度运行方式，再结合拦河闸使用单位的要求及建议，最终确定消能防冲结构形式。

3.2 闸门控制运用方式拟定[9]

高岭拦河闸是以灌溉、供水为主，结合航运的大型拦河水闸工程。水闸无防洪要求，水闸在满足灌溉供水正常运行情况下应维持正常水位8.2 m。其调度原则如下：

1) 当水位超过8.2 m，来水小于1 160 m3/s时，则水闸采取控泄，满足灌溉、供水的要求后，来多少泄多少，保持水位为正常水位为8.2 m。

① 水闸初始泄流只允许开中间单元的5孔闸泄流。当上游来流量大于开启中间单元5孔e=0.25 m泄流量102.5 m3/s时，继续开启中间单元的5孔闸至e=0.5 m泄流，此时不允许开启左右两单元的11孔闸泄流。

② 当上游来流量大于开启中间单元5孔闸e=0.5 m的泄流量201.8 m3/s时，除开启中间5孔e=0.5 m外，再开启左右单元的11孔闸泄流。

③ 当上游来流量大于16孔闸门开度e=0.5 m泄流量645.8 m3/s时，采用16孔闸同步开启。水闸运行应遵循同步、均匀、间隔、对称开启的原则，不应该采取集中数孔、大开度开启的方式，以减轻对下游河床的冲刷。每一级闸门开度开启后，待下游水位上升稳定后，再开启下一挡开度运行。

2) 当水位超过8.2 m且来水大于水闸过流能力为1 160 m3/s时，闸门全开泄洪，水位升高，洪水从水闸过流，当水位回落至正常蓄水位时恢复控泄，保持正常蓄水位。

3) 当水位低于正常蓄水位为8.2 m时，应优先满足原设计供水和右岸0.57万hm2灌溉面积的用水量，并且尽快下闸蓄水回复至正常水位，同时要尽可能满足下游河道生态流量的要求，即通过水轮泵、闸门下泄的总流量不低于17.1 m3/s(见表3)。

表3 闸门局部开启控制运行条件

3.3 理论计算

根据调度原则进行消能防冲计算，结果见表4。

表4计算结果表明：对于中间5孔水闸，消力池最大深度为1.5 m；在流量为4 755 m3/s时，消力池底板最大厚度为1.41 m，最大池长47.19 m，海漫最大长度为32.1 m。对于边孔，消力池最大深度为1.5 m；在流量为4 755 m3/s时，消力池底板最大厚度为1.22 m，最大池长45.16 m，海漫最大长度为32.1 m。

表4 泄洪闸消能防冲计算[10-11]

3.4 水工模型试验结果

根据《鉴江高岭拦河闸重建工程初步设计报告》审查意见关于“设计单位需复核消能计算，并结合水工模型试验，优化消能工布置。”的要求，补充了消能工布置优化方案的模型试验[12]。

利用水工模型试验多方案对比，补充方案是在原设计方案的基础上，将消力池池长缩短5 m，并采用分区消能防冲形式[13]，设置2个消能分区。即 1#～5#及11#～16#的消力池布置形式相同，底高程采用0.00 m； 6#～10#的消力池布置相同，5孔的两侧设置导墙，底高程采用-1.0 m。

根据水工模型试验，消力池长为42.5 m满足设计流量消能要求，并有一定的富余，考虑设计流量时水流状态已是波状水跃，消力池的长度对消力池影响不大，因此，消力池长采用水工模型试验结果。

3.5 消能工尺寸的拟定

综合考虑计算及水工模型试验结果，对于边孔，消力池总长度为42.5 m，底板厚度为1.2 m，池深为1.5 m。其中：斜坡段长为16 m，水平段长为26.5 m，斜坡段以1:4的坡度接至水平段，消力池底高程为0.00 m，消力池末端出池高程为1.5 m。对于中间5孔，消力池总长度为42.5 m，底板厚度为1.5 m，池深1.5 m。其中：斜坡段长为20 m，水平段长为22.5 m，斜坡段以1:4的坡度接至水平段，消力池底高程为-1.0 m，消力池末端出池高程为0.5 m。

4 结语

水闸工程于2019年建成运行，投入运行以来经历了汛期的考验，工程运行安全稳定，发挥了重要的社会经济效益。随着社会经济发展，诸多类似高岭拦河闸的水闸工程需要重新建设，工程设计时应慎重对待水闸泄流能力和消能防冲能力的复核工作，最好采用理论公式计算与水工模型试验相结合的方式，进行多种方案比较，选定合适的布置方案。