拦河闸调度方式对消能设施尺寸影响的探析

李国台

(福建亿水工程勘察设计有限公司，福建 龙岩 364000)

1 前言

运用要求不同，水闸的上下游水位、过闸流量和泄流方式多变，闸门开启孔数、开启高度等开启程序组合复杂。闸下消能设施必须满足各种水力条件出现时都能满足消能防冲的要求。合理确定消能设施类型和尺寸能保证消能工安全可靠的运行[1]。

目前，水闸常规调度方式主要依靠经验确定，对于设计院中大部分设计工作者而言，这种设计经验并不是人人具备；精确调度主要依靠物理模型实验和数学模型研究确定，对人力、物力和财力要求均较高，一般拦河闸不具备这种条件[2-3]。消能设施尺寸计算涉及到迭代和试算的过程，合理的起算数据，能大大减少迭代步数，提高试算效率。

本文以长汀三洲拦河闸设计为例，进行水闸调度对消能设施尺寸设计和起算数据选择的影响研究，以期提出适合此类拦河闸的调度设计和消能设施尺寸设计。

2 工程概况

拟在汀江三洲河段建设一座拦河闸，作为长汀三洲水土流失治理和生态文明建设示范区，闸址位于南山河与汀江汇合口下游约270 m处，控制流域面积1330 km2,主河道长126 km，河道平均坡降1.89‰。

本工程枢纽从左岸至右岸的布置依次为：挡水坝段、闸坝段、挡水坝段，枢纽布置见图1。闸坝段设泄洪闸10孔，每孔孔口宽10 m，总净宽100 m。闸门挡水高度6.0 m，闸底板高程256.50 m，闸顶高程267.20 m，闸室下游设消力池和海漫。

图1 枢纽平面布置简图

3 水闸调度方式

3.1 拦河闸调度与水流关系

由于拦河闸在宣泄设计及校核洪水时，闸门全部提出水面，上下游落差较小，如本文中拦河闸的设计工况和校核工况上下游水位差分别为0.32 m和0.40 m，此时，过闸水流呈缓流状态，不是下游消能设施的控制工况。当闸上保持最高蓄水位、下游低水位时，闸门需在各种开度下宣泄多余来水量。此时，由于下游水位较低，下泄水量对下游河床极易产生冲刷。蓄水期拦河闸上游多余水量具有时变性，因而下泄水量也对应的具有时变性，消能设施需确保下泄水量在下游低水位时的各种水流衔接顺畅和消能防冲安全。

此时，闸下水位采用闸门各开度时下泄流量对应的水位，消力池出池河床高程可根据现河床地形确定，本次取256.20 m。

3.2 拦河闸调度原则

多孔拦河闸的闸门控制泄流时，闸门开启组合方式多种多样。合理闸门开启方式应做到：①可操作性强，管理方便；②较好改善闸下水流条件，减少消能设施工程量。拦河闸先启孔主要用于宣泄上游多余来水量和小洪水；大洪水时，先启孔用于抬高下游水位，确保后启孔出闸水流衔接下游时产生淹没式水跃，达到最优消能防冲效果。因此，应根据实际地形、调度设备等设计多孔拦河闸闸门开启顺序、初始开度和开启级差的组合。

水闸先启孔孔数对闸下消能防冲设施有一定影响。先启孔孔数过少，会造成后启孔消力池池深增加，增加后启孔消能防冲措施工程量；先启孔孔数过多，也会造成工程量增加。本设计采用试算法，以闸下消能防冲设施工程量和闸下水位衔接作为主要考虑因素，结合实际设计的平面布置及水流条件，设计3号～6号闸孔为先起孔，先启孔孔数为4孔，占总闸孔数的2/5。

随着闸门开度增加，泄流量增大；闸下消力池深度及长度随之增加；消力池底板降低，消力池中的流速和脉动压力将增大；消力池底扬压力增大，消力池工程量增加，投资加大；因此，闸门初始开度不宜太大。文献[1]指出，闸门初始开度往往是消力池深度或消能工高度的控制因素，一般取0.3 m～0.5 m；参照现有拦河闸工程运行情况，本次拦河闸闸门初始开度拟定为0.5 m。

闸门开启级差对闸下消能有一定影响。开启级差过大，会增加闸下消能防冲工程量，级差太小，又使运行管理复杂。开启级差一般取闸前水头的1/10，本次设计根据消力池池深、长度和海漫长度试算结果，确定闸门开启级差取0.5 m。

4 消能设施尺寸

4.1 不同开度的闸孔过流能力

根据《水利计算手册》，平底堰上闸门，当闸门开度与堰上水头H的比值e/H<0.65时，为闸孔出流，e/H>0.65时，为堰流；本设计闸门开度3.9 m时，e/H=0.65。单孔平底闸孔出流计算公式为：

(1)

式中:e为闸门开度，m；b为每孔净宽，m；H0为闸前水头；σs为淹没系数，自由出流时σs=1；μ0为流量系数，对弧形闸门，μn=0.60-0.18。当闸上保持正常蓄水位262.50 m时，闸门在不同开度的单孔过流能力见表1。

表1 闸门不同开度单孔过流能力

4.2 先启孔各级开度下的消能设施尺寸

(1)消力池深度计算

根据实际情况，本次设计选用降低底板高程的消力池形式。根据《水闸设计规范》(SL 265-2016)，消力池深度可按以下公式计算：

d=σ0hc″-hs′-ΔZ

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：d为消力池深度，m；σ0为水跃淹没系数，可采用1.05～1.10；hc″为跃后水深，m；hc为收缩水深，m；α为水流动能校正系数，可采用1.00～1.05；q为过闸单宽流量，m2/s；b1为消力池首端宽度，m；b2为消力池末端宽度，m；T0为由消力池底板顶面算起的总势能，m；ΔZ为出池落差，m；hs′为出池河床水深，m。

(2)消力池长度计算

消力池长度计算公式如下：

Lsj=Ls+βLj

(6)

Lj=6.9(hc″-hc)

(7)

式中：Lsj消力池长度，m；Ls为消力池斜坡段水平投影长度，m；β为水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；Lj为水跃长度，m。

(3)海漫长度计算

(8)

式中：Lp为海漫长度，m；qs为消力池末端单宽流量，m2/s；Ks为海漫长度计算系数，取7。

单孔先启孔初始开度0.5 m，级差0.5 m，闸门不同开度下消力池池深、长度和海漫长度计算结果见表2。

从表2可知，闸门各开度下的闸下消力池深度，均小于闸门开启高度0.5 m时的消力池深度；消力池长度和海漫长度随着闸门开度增加而变长；当闸门开度达3.5 m左右时，消力池长度达最大值。通过开启后启孔闸门，抬高下游水位，可适当减小海漫工程量。经分析，当先启孔闸门开度达3.90 m时，设计后启孔闸门开启。

根据表2水力计算成果，闸门在初始开度1.5 m时，过闸流量360 m3/s，此时池深最大，达1.0 m。对应上游水位262.50 m(正常蓄水位)，下游最低水位257.33 m。以此作为消力池深度控制工况，进行消力池尺寸计算，计算成果作为确定消力池尺寸设计依据。最终确定消力池采用C25埋石砼结构，由闸后斜坡段和池身段组成。闸后斜坡段采用1∶5与池身段连接，池底面高程为255.50 m，消力池水平长度20.0 m，总长25.0 m，池深1.0 m。

表2 先启孔各开度下水力计算成果表

基于消力池设计，进一步计算海漫长度，海漫计算长度36.11 m，实取36.00 m。其末端河床形成的最大冲刷深度为1.24 m，因此在海漫末端设一长13.00 m、深2.30 m抛石防冲槽，确保下游河床安全。

5 结论

拦河闸的消能设施能确保闸下水流的顺畅衔接和消能防冲效果最优，从而确保拦河闸的安全运行。本文以汀江三洲拦河闸设计为例，探讨拦河闸调度方式对消能设施尺寸设计的影响，得出如下经验以供参考。

(1)拦河闸消能设施尺寸设计前，需初步拟定多孔拦河闸的闸门开启顺序、初始开度和开启级差。开启顺序不宜复杂，应易于操作，先开启孔一般与河道主流相对应，先开启孔数须确保闸下水深；需通过闸孔过流计算确定初始开度和开启级差。

(2)一般先计算先启孔各级开度下消能设施尺寸，分析初拟调度组合下消能设施尺寸变化规律，再以初拟条件下最大消力池水深及其对应的过流能力和初始开度作为计算依据进行消能设施尺寸设计。