陈卓英，黄智敏，陈灿辉，钟勇明
（广东省水利水电科学研究院，广州，510610）
摘要：由于工程运行时间较长、河床下切、下游河道水位下降等原因，导致消力池下游海漫段和河 床出现冲刷，存在启闭设备落后、岸坡不稳定及闸基有淤泥夹层等众多安全隐患。为确保工程安全运
行，通过试验研究，提出了工程优化方案和改造方案，较好地解决了枢纽工程消能防冲的问题。
关键词：泄洪闸；消力池；消能；试验研究
1 工程概况
透水混凝土施工
大坳拦河闸坝是广州市流溪河灌区的渠首枢纽工程，工程位于流溪河中下游的从化市神岗境内，始建于1958年8月。工程以灌溉为主，兼顾防洪、发电和供水，是广州市重要的水利枢纽工程。2006年6月中上旬，大坳拦河闸坝出现险情。泄洪闸下游浆砌石海漫防冲设施被冲坏，其中6#～9#、28#～32#孔的消力池部分被冲毁，严重影响拦河坝闸室主体安全。经防洪抢险，险情得到控制。有关部门对海漫段损毁原
因分析认为：工程出险的主要原因是坝址下游河床不断下切，工程运行的水文条件发生了很大的变化，致使工程现状的消能设施发挥不了应有的功效。为确保工程安全运行，广州市流溪河灌区总管理处委托我院对流溪河大坳拦河闸坝枢纽下游消能工进行水工模型试验研究。
拦河闸设计洪水频率泄流量为2010m3/s（P=2%），校核洪水频率泄流量为2265m3/s（P=1%）。拦河闸坝总宽237.4m。拦河闸为38孔，其中37孔每孔净宽5m，另外由原拦河坝筏道改为一孔的泄水闸，闸孔宽4.21m，闸孔总泄流净宽189.21m，闸墩厚1m。闸底为平底宽顶堰，堰顶高程22.41m，闸门为液压启闭垂直升降平面钢闸门。拦河闸的33#孔（净宽8m）原为通航船闸，现已改为溢流孔，溢流孔堰顶高程为23.91m。拦河闸下游采用消力池底流消能形式（见图1）。
图1 大坳拦河闸平面布置示意
2 泄洪闸工程设计方案试验成果
2.1 方案布置
泄洪闸堰顶高程为22.41m，为平底宽顶堰，堰顶为原消力池位置进行固结灌浆抹平至消力池
尾坎顶，总长17.1m。除险加固设计方案的消力池首端采用1:4斜坡段与堰顶连接，斜坡段水平长度为16.4m。消力池池底高程18.41m，池深1.0m，池长14.5m；消力池下游接长10m砼护坦段和长30m抛石海漫平段，高程为19.41m，并以1:10的反坡与下游河床面相接（见图2）。
图2 设计方案——泄洪闸下游消能工布置示意（单位：m）
2.2 泄洪闸模型试验成果
根据设计提供的水文资料，在维持闸上游为正常蓄水位23.91m条件下，泄洪闸分别进行了开启闸孔数为15孔、26孔及34孔的不同闸门开度的试验，以论证泄洪闸消能工设计方案的合理性。 试验表明：（1）当泄洪闸泄流量Q≤210 m3/s时，进行了开度e=0.2m、0.4m和0.6m，开启15孔闸试验。闸门局部开启运行时，由于出闸后堰顶水平段较长和泄洪闸泄流落差较大，出闸水流呈自由出流的急流状，进入下游消力池。由于消力池下游水平海漫段高程较高，出池水流无法与河道下游水流正常衔接，海漫段流速V达（2.2～3.8）m/s，模型试验显示在闸下游桩号约0+130～0+170区域出现二次水跃现象，不利于工程的安全运行。（2）当开启15孔闸、闸门开度e=0.8m （相应泄流量Q=162 m3/s）时，消力池内水流波动较大，池内形成左、右摆动的折冲水流，并形成立轴回流，恶化闸下游的流态，折冲水流直冲下游海漫段，出池水流在消力池尾坎形成较明显的跌流，消力池下游海漫段流速V＞4.0m/s（池末坎顶流速V=4.17m/s），恶化消力池和海漫段的流态，不利于闸下游消能工和河道的安全运行。（3）随着泄洪闸泄流量的增大，进行了闸门开度e=0.6m、0.8m、1.0m，开启孔数为26孔的试验。当泄洪闸泄流量的增加时，闸下游水位逐渐上升，消力池内呈波状水跃，消力池出池水流较平顺与下游河道水流衔接。（4）当泄流量Q≥370 m3/s时，泄洪闸34孔闸全部控制局部开启运行时（开度e=0.8m、1.0m），出闸水流仍呈自由出流，消力池内形成波状水跃，出池水流较平顺与下游河道水流衔接。socl
综上所述，设计方案的消力池尾坎及其下游海漫段顶高程偏高，闸下游消力池出池水流无法与下游河
道水流正常衔接，并在闸泄流量Q＜210 m3/s时，消力池海漫段下游出现二次水跃，不利于工程的安全运行。
3 工程改造方案试验成果
在模型试验中一共进行了5个修改方案试验对比优化，最后试验推荐的工程改造方案采取修改方案5及根据施工情况适当降低消力池末端尾坎及水平海漫段顶高程的措施。因此本文的工程改造方案仅介绍修改方案5的试验成果。
3.1 方案布置
（1）综合考虑枢纽工程的布置和泄洪闸下游河床地形条件等，将除险加固工程消力池位置往下游移动。泄洪闸堰顶末端以1:7.579坡度与消力池相连接，消力池首端桩号为0+055.6，消力池池底高程为17.0m，池长14.5m、池深1.0m，消力池首端0+059.6断面设置一排消力墩，消力墩墩高1.3m、墩宽1.5m（墩净间距与墩宽相同）。
（2）消力池尾坎下游设置10m长水平砼海漫段，砼海漫段下游接1:30斜坡砼海漫段和防冲槽，防冲槽底高程为17.0m(见图3)。
图3 修改方案5——泄洪闸及其下游消能工剖面图（单位：m）
3.2 试验成果
试验表明：（1）在较小洪水流量开启15孔闸、开度e=0.2m (Q=50m3/s)运行时，消力池内形成较稳定的强迫水跃，消力池出池流态和流速值根据下游水位的变化而相应变化为：①在泄洪闸初始泄流时，闸下游水位仍较低，消力池下游水平海漫段仍出现急流状，在斜坡海漫段上游段形成二次水跃；②泄流稳定后，池后海漫段二次水跃消失，出池水流较平顺与下游河道水流衔接；
③当闸下游水深降低30%运行时(下游水位相应降低0.37m)，出池水流呈急流状，池后水平海漫段流速约2.2 m/s，出池水流无法与下游河道水流正常衔接，在桩号0+085～0+090区域出现二次水跃；此运行工况也相当于在闸下游最低水位时(Z=18.36m)，开启15孔闸、开度e=0.2m初始运行的消力池及下游海漫段的运行状况。
（2）在设计的闸址下游Z～Q关系条件下，开启15孔闸、开度e=0.4m(Q=93 m3/s)运行时，消力池内形成较稳定的强迫水跃，消力池末端尾坎出池流速约1.5 m/s，出池水流较平顺与下游河道水流衔接。当闸下游水深降低30%运行时(下游水位相应降低0.48m)，出池水流呈急流状，池后水平海漫段流速约2.8 m/s，出池水流无法与下游河道水流正常衔接，在桩号0+085～0+090区域出现二次水跃。
（3）在闸门开度e≥0.4m、泄洪闸开启孔数≥26孔 (Q≥161 m3/s)运行时，在设计的闸下游Z～Q关系和下游水深降低30%的条件下，出池水流都能与下游河道水流正常衔接，出池流速和海漫段流速相应减小。
综上所述，在设计的闸址下游Z～Q关系条件下，修改方案消力池出池水流基本能够平顺地与下游河道水流衔接；当泄洪闸泄流量Q＜130 m3/s、下游河道水深降低30%运行时(也相当于在低一级闸门开度运行下游水位条件下，上一级闸门开度初始运行的状况)，消力池出池水流在水平海漫段仍呈急流状，斜坡海漫段上游段出现二次水跃，出池水流仍无法与下游河道水流正常衔接。
因此，在工程施工和投资等允许的条件下，建议将消力池末端尾坎及水平海漫段顶高程适当降低，若降低至17.5m有困难，建议将消力池末端尾坎及水平海漫段顶高程降低至17.7m～17.8m。
4 拦河闸运行管理试验和建议
在本工程模型试验的基础上，并结合工程设计和管理部门的意见，提出拦河闸运行管理措施的建议：
（1）当上游洪水流量Q≤435m3/s时，根据洪水流量和电站发电流量的大小，通过调节泄洪闸闸孔开启孔数、闸门开度控制泄洪，以维持泄洪闸闸上游水位为正常蓄水位23.91m，确保电站的正常运行。
（2）当泄洪闸上游洪水流量Q＞435m3/s时，泄洪闸闸门全开泄洪，以确保工程的安全运行。
（3）当上游洪水流量Q ≤435m 3/s 时，闸门开度以△e=0.2m 分挡开启，并根据上游洪水流量的大小，调节和控制泄洪闸开度和开启孔数。
①当上游洪水流量较小和泄洪闸初始泄洪时，可开启1～15孔、开度e=0.1m 的闸孔泄流；待闸下游水位上升后，再开启15孔、e=0.2m 的闸孔运行。当泄洪流量增大时，可将第1挡闸门开度e=0.2m 的开启孔数增加至26孔。
②当第1挡开度（e=0.2m ）向第2挡开度（e=0.4m ）转换时，可先将已开启的26孔闸（e=0.2m ）中的15孔开启至第2挡开度（e=0.4m ）运行，直至26孔闸都开启第2挡开度运行。
③当上游洪水流量继续增大时，可将泄洪闸尚未开启的8孔闸全部开启至第1挡开度（e=0.2m ）运行，直至将34孔闸全部开启至第2挡开度e=0.4m 运行。
④当第2挡开度（e=0.4m ）向第3挡开度（e=0.6m ）转换时，各闸孔可先开启221挡（即e=0.5m ）运行，待下游水位上升后，再开启至第3挡开度（e=0.6m ）运行。其余各挡开度的开启方式可照此类
推。 （4）闸门局部开启闸孔数、开度e 控制条件 根据本文试验成果，提出拦河闸闸门局部开启闸孔数、开度e 与泄流量Q 、闸下游水位的控制条件，供工程设计和运行管理参考（见下表）。
表 闸门局部开启控制运行条件表 闸运行情况
开启闸孔数n
闸门开度e （m ） 泄流量 Q （m 3/s ） 闸下游水位 Z （m ） n=1～15 e =
0.10 Q ≤30
Z ≥18.23
（闸下游最低水位） 15≤n ≤26 e =
0.20 50＜Q ≤85 18.73＜Z ≤19.12
26≤n ≤34 e =0.30 123＜Q ≤161 19.45＜Z ≤19.70
n =34 e =0.40 Q =210 Z ≥19.70
n =34 e =0.60 Q =
扇贝笼
301 Z ≥20.04
n =34 e =0.80 Q =366 Z ≥20.55
n =34 e = 1.0 Q =435 Z ≥20.84
n=34 全开 Q ＞435 Z ＞21.12
注：当开启的闸孔数n ＜34时，开启的闸孔号见附表1。
4.5 其它运行建议：
睡眠袜（1）拦河闸运行应遵循同步、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。
（2）工程建成运行后，应密切注意拦河闸下游河床和水位的变化，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。
5 结语
（1）修改方案5的消力池尾坎顶及其下游水平海漫段的高程为18.0m ，当泄洪闸初始泄流及泄洪流量
石墨钢较小时，消力池出池水流在水平海漫段易形成急流状，斜坡海漫段上游段出现二次水跃，出池水流仍无法与下游河道水流正常衔接。因此，在工程施工和投资等允许的条件下，建议将消力池末尾坎顶高程适当降低。
（2）为了改善修改方案5的消力池出池流态，确保工程的安全运行，本文建议：①在泄洪闸初始泄流、闸门小开度运行时，根据泄洪流量的大小，可先开启1～15孔、开度e=0.1m 的闸孔运行，待闸下游水位上升后，再逐步增大闸门的开度运行；②要注意消力池下游水平海漫段及斜坡
海漫段的加固防冲设计工作，严格控制工程的施工质量。
（3）为了确保工程的安全运行，模型试验在设计提供的闸址下游水位资料进行试验的基础上，并将闸址下游水深降低30%（包括高一级闸门开度采用低一级闸门开度运行的下游水位，以模拟高一级闸门开度初始运行状况)进行试验研究，试验成果可供工程设计和运行参考。
（4）模型试验提出的拦河闸运行管理措施的建议，可供工程设计和运行管理参考。工程运行中，可根据拦河闸实际运行情况，制定详细的拦河闸闸门操作运行规程。
（5）工程建成运行后，建议加强拦河闸泄流运行的监测，同时，密切注意闸下游河道水位的变化，若拦河闸下游河道水位继续下降时，应采取相应的措施解决。
参考文献和资料：
[1] 广东省水利水电科学研究院，广州市流溪河大坳拦河坝除险加固泄洪闸断面模型试验研究，2007年8月。
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