低水头拦河闸坝枢纽工程布置和试验优化

低水头拦河闸坝枢纽工程布置和试验优化黄智敏 何小惠 朱红华 钟勇明（广东省水利水电科学研究院，广州，510610）摘 要：低水头闸坝枢纽建筑物（泄洪闸、水电站、船闸等）的布置和消能形式，涉及到工程水文、地质、河道及建设功能等多方面因素。

本文对若干低水头闸坝枢纽工程的布置和消能方式进行分析，并结合水工模型试验成果加以说明。

关键词：低水头水利枢纽 泄洪闸 水电站 船闸 工程布置 模型试验1 概述低水头拦河闸坝工程是水利枢纽工程的重要组成部分，它主要由拦河闸（泄洪闸）、水电站、船闸、挡水坝段等主要建筑物组成（见图1）。

拦河闸坝枢纽工程的主要作用是调节水位和控制泄流、引水发电及通航等。

低水头拦河闸坝枢纽工程是一项涉及面较广、影响因素较多的复杂系统工程，枢纽工程设计涉及到工程区域河流规划、经济指标、河道地形和地质、水文气象、建材、机械、动力、交通等方面资料，一般的大中型枢纽工程还应通过水工模型试验论证，优化枢纽各建筑物的布置和运行水力特性。

本文在分析和总结低水头拦河闸坝枢纽建筑物布置和消能方式的基础上，介绍笔者所作的水工模型试验研究对枢纽工程布置优化的体会。

2 低水头水利枢纽的布置低水头拦河闸坝枢纽各建筑物的布置主要取决于枢纽工程的功能。

枢纽工程泄洪闸是用作于挡水和泄水建筑物，其通常布置在河道的主河槽上，使泄洪闸进、出水流顺应河势，避免发生偏流、回流等不利流态，有利于泄洪闸泄流，减小闸上游的淹没损失。

水电站和通航船闸通常布置在泄洪闸左、右两端的近岸河床，以避免水电站与船闸同时运行产生相互干扰（主要是电站尾水对船闸下游口门区的干扰）。

若通过 模型试验论证，也可以将水电站与船闸布置在泄洪闸同一侧的河岸区域。

由于实际上完全顺直的河道是不存在的，因此，低水头拦河闸坝通常是布置在弯曲河道上。

由河流动力学可知[1]：（1）在弯道河段的横断面内，形成弯道横向环流，横断面主体表层流流向凹岸，底流指向凸岸；（2）在横向环流的作用下，表层含沙量较少的水流不断流向凹岸并插下河底，而底层含沙量较大的水流不断流向凸岸，并爬上边滩，形成横向输沙不平衡，使得凹岸区域河床冲刷，凸岸边滩不断淤积的现象；（3）弯道内的主流逐渐逼近凹岸，凹岸处的流速往往大于凸岸处的流速（见图2）。

因此，水利枢纽工程中的泄洪闸、水电站和船闸等布置应充分考虑其功能和水力条件。

根据上述的分析，对枢纽工程的水电站和船闸布置方案初步分析为：（1）水电站布置在河道凹岸、船闸布置在河道凸岸此布置方案水电站上游引水渠和下游尾水渠布置在河道的深槽上，电站上游引水渠的引水条件较好，下游尾水渠出流较平顺，进、出口区域的河岸区域不易淤积，有利于电站发电运行；船闸上、下游引航道口门区位于河道的凸岸区，口门区纵向流速一般较小，而由上、下游引航道导航墙和岸区引起的口门区回流流速相对也较小，相对较易满足通航条件的要求；但此布置方案的缺点为：上、下游引航道口门区位于凸岸区域上，较易产生淤积，且下游引航道出口下游通常需开挖航槽与原河道主河槽连接，运行后需视淤积状况疏浚上、下游引航道口门区。

（2）水电站布置在河道凸岸、船闸布置的河道凹岸。

此布置方案电站上游引水渠进口区域布置在河道的凸岸，较易产生淤积，为确保电站正常运行，需对其上、下游进出口区域河道进行开挖清淤；船闸引航道上、下游口门区多位于原河道的主航槽内，船只进、出船闸较方便，口门区较不易淤积，但河道凹岸区域流速往往较大，在较大洪水流量运行时，口门区水面流速有可能较难于满足通航设计洪水标准水文条件下的通航要求。

综上所述，低水头闸坝枢纽工程的水电站和船闸等建筑物布置应根据枢纽工程各建筑物的功能来确定，工程设计中应综合考虑各方面因素确定出枢纽工程各建筑物的总体布置方案；对于大中型枢纽工程，还应通过水工模型试验予以优化。

3 低水头水利枢纽泄水建筑物消能方式低水头闸坝运行的上、下游水头差往往较小，泄流单宽流量较大，泄洪闸泄流消能方式主要有底流消能和面流消能两种形式。

据初步统计，近年来广东省低水头水利枢纽泄水建筑物消能形式以底流消能占大多数，是泄水建筑物较为成熟的一种消能方式。

底流消能适应于河床覆盖层较深厚、地质条件较差的河道上，并可适应下游水位变幅较大的河道。

底流消能在泄洪闸下游修建消力池和辅助消能工等，通过水跃消杀泄流的部分能量，并在消力池下游海漫段消减水流的余能，调节流速分布，使泄洪闸下泄的水流较平顺与下游河道水流衔接。

底流消能理论计算方法是三大消能（底流、面流、挑流）方式中最为完善的一种，这也是其应用较广泛的原因之一。

面流消能适用于河床覆盖层较薄、基岩面较浅、下游水位较稳定的河道上，其理论计算方法尚不完善，只有少量的经验公式可供设计参考。

因此，除了地质因素外，采用面流消能的低水头闸坝枢纽一般多布置在河道水位较稳定的河段、枢纽工程下游河道受下游建筑物顶托回水的河段等，如广东省近年修建的飞来峡水利枢纽、封开县江口水电站枢纽、怀集县莫湖水电站枢纽等。

4 枢纽工程布置及试验优化4.1莫湖水电站莫湖水电站枢纽工程位于广东省怀集县境内的绥江中上游河段，是以发电为主，兼改善通航、旅游等效益的枢纽工程。

莫湖水电站下游已规划建设共和水电站枢纽，共和水电站库区尾水回水至莫湖水电站坝址处。

莫湖水电站坝址处河床覆盖层较浅（厚度为2.5～5m），底层为强风化和弱风化基岩，地质条件较好，且坝址处河道水位较稳定，因此，莫湖水电站泄洪闸设计方案选用面流消能方式。

莫湖水电站坝址位于弯曲河道下游处，工程设计方案的水电站和船闸分别布置河道的左岸（凸岸）和右岸(凹岸)(见图1)。

水工模型试验表明：（1）受上游弯曲河道的影响，坝址处主流偏于右岸区域，由于河道整体的流速较小，在五年一遇通航设计洪水流量(P=20%、Q=1691m3/s)运行时，船闸上、下游引航道口门区平行于航线的纵向流速V<1.5m/s，可满足通航的要求，且主航槽位于河道的右岸，船只进出船闸较方便。

（2）在电站独立运行和电站与泄洪闸联合运行时，电站上游进水渠前沿河道流速略小于河道右岸区域流速（V<1.0m/s），进水渠拦沙坎前沿及近岸局部区域出现小范围回流，发电运行期会出现局部淤积。

而根据工程设计运行的要求，当上游洪水来流量Q≥1024m3/s时，泄洪闸闸门全开泄洪，此运行工况的水电站进水渠拦沙坎前沿区域河床流速V＞1.0m/s，大于床沙的起动流速（V 起=0.9～1.0m/s）。

因此，洪水期，应视上游来洪流量大小，择机全开闸门敞泄冲沙，必要时可视水电站进水渠拦沙坎上游端近岸区域淤积情况，择机清淤。

4.2昌山水电站昌山水电站枢纽位于广东省乐昌市武水乐昌峡水电站塘角坝址与孟洲坝水电站之间的河段，是一座以发电为主，兼顾灌溉、航运、防洪和城市美化等综合性水利枢纽工程。

枢纽工程坝址位于河道的弯曲河段，河面宽约150m，在坝址下游约300m处，河道呈约55°角急转弯。

坝址处河床面高程约78.0～79.0m，河床覆盖层厚约2.0～5.2m，由沙卵石组成，覆盖层底部为强风化或弱风化的灰岩体。

枢纽工程设计方案为（见图3）：拦河闸布置在河道中部（7孔×8m），左端布置通航船闸（全长286m），水电站（3×4000KW）布置在泄洪闸的右岸。

水工模型试验表明：枢纽工程的泄洪闸、水电站、船闸上游引航道口门区等运行流态较佳，而船闸下游引航道末端出口及口门区与河道水流呈大角度斜交，横向流速较大（V横＞0.25m/s），通航不畅顺。

经多方案试验比较，将下游段导航墙修改为曲率半径R=200m的圆弧曲线型导航墙，其下游开挖航槽与河道深槽连接（见图4）。

修改后，下游引航道口门区可以满足通航要求。

4.3潮州供水枢纽工程潮州供水枢纽工程为大（1）型水闸工程，其坝址位于广东省潮州市区韩江下游的江东洲头的东溪和西溪进口处，分为东溪枢纽和西溪枢纽（见图5和图6）。

工程设计方案东溪枢纽由16孔泄洪闸和水电站（2×9000KW）等建筑物组成，西溪枢纽由16孔泄洪闸、水电站（2×14000KW）和船闸等建筑物组成。

由坝址处河道资料分析，韩江在仙洲岛分为左、右汊河道后，在仙洲岛末端汇合，然后被江东洲又分为东溪和西溪，河道的主河槽位于西溪河道；仙洲岛左汊水流一部分进入东溪，一部分绕江东洲头进入西溪，仙洲岛右汊水流全部进入西溪。

模型试验表明：（1）东溪河道入流的主流位于右岸区域，右岸侧(凹岸)水电站上、下游进出水流较平顺，流态良好；河道左岸区域（凸岸）流速较小，设计方案的泄洪闸左端近岸区域出现回流，泄洪闸左端1#、2#闸孔出现负向流速（V=-0.3～-0.6m/s ）。

将泄洪闸1#闸孔左端导墙修改为流线型导流墙和闸上游左岸浅滩区域适当回填后(见图7)，左岸端1#、2#闸孔的回流消失，泄洪闸各闸孔入流流速分布已趋于较均匀。

（2）西溪主河槽位于其右岸(凹岸)，通航船闸布置在泄洪闸右端，其上、下游引航道口门区水流较平顺，通航条件良好。

水电站布置在泄洪闸左端（凸岸），其上游进水渠前沿位于仙洲岛左、右汊水流汇合处，入流较平顺；而下游尾水渠出口位于河道左岸的浅滩上，需在尾水渠出口至河道主槽开挖槽，降低电站尾水位，增大机组的有效水头。

由于西溪电站双机满发运行时（发电流量Q=566m 3/s ），其尾水渠出口断面流速达约4m/s ，因此，尾水渠下游开挖的河槽不易淤积，可确保电站正常运行。

5 结语本文对若干低水头水利枢纽工程建筑物的布置和消能方式进行归纳和总结，并结合工程水工模型试验资料加以分析。

分析研究表明，受河道水流条件和河势等影响，枢纽各建筑物的设计布置不可能尽善尽美，但通过水工模型试验论证后，可改善枢纽工程各建筑物的运行条件，以取得较佳的布置方案和运行流态。

参考文献[1] 武汉水利电力学院河流泥沙工程学教研究室编著.河流泥沙工程学.水利出版社，1980年2月.[2] 华东水利学院主编.水工设计手册（第六卷，泄水与过坝建筑物）.水利电力出版社，1982年.。