平原水閘底流式消能工始流消能防沖研究

田海軍

（河北省南運(yùn)河管理處，河北 滄州 061001）

1 概述

由于我國北方地區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏，為充分利用有限的水資源，近幾年來，在一些平原排水河道上建設(shè)了大量的蓄水閘。這些蓄水閘，一方面在汛期洪水較大時(shí)開閘行洪，另一方面根據(jù)天氣預(yù)報(bào)和實(shí)際降水情況，抓住相宜時(shí)機(jī)盡量多蓄水。

水閘運(yùn)行工況關(guān)多開少，非汛期基本處于關(guān)閉狀態(tài)；需開閘放水時(shí)，往往閘上水位較高，閘下一般為無水或水位很低，且大多是小開度僅開啟少數(shù)孔。水閘的這種特殊運(yùn)行方式對(duì)水閘設(shè)計(jì)存在以下問題：①水閘始流狀態(tài)當(dāng)閘下無水或水位很低，閘門從關(guān)閉開啟到一定開度時(shí)，閘下河道水流為非恒定流，各過水?dāng)嗝娴牧髁俊⑺?、流速隨時(shí)間變化，而此時(shí)閘下河道水深的確定，直接影響消力池深度的計(jì)算。在工程實(shí)踐中，有人提出用第一開度的過閘流量對(duì)應(yīng)水深的1/2作為該狀態(tài)的下游水深。這種方法是否合理、是否安全、是否符合實(shí)際，應(yīng)通過水工模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并應(yīng)找出相關(guān)的變化規(guī)律及計(jì)算方法。②對(duì)多孔攔河閘（5孔以上），僅開啟少數(shù)孔時(shí)的孔流狀態(tài)時(shí)，水流出閘后，順?biāo)鞣较蚣彼傩羞M(jìn)，同時(shí)橫向擴(kuò)散。在消力池中形成三維空間水躍，為非穩(wěn)定的三元流。該狀態(tài)下，按常規(guī)的平面水力學(xué)問題求解消力池中水躍高度不盡合理。應(yīng)通過水工模型實(shí)驗(yàn)找出空間水躍高度與擴(kuò)散大小、消力池深度、下游水深等參數(shù)的關(guān)系及其變化規(guī)律。

為了解決以上兩個(gè)實(shí)際問題，根據(jù)水力學(xué)原理和工程實(shí)際情況，進(jìn)行了水工模型實(shí)驗(yàn)。探索始流及多孔閘開少數(shù)孔時(shí)，空間水躍的最大擴(kuò)散寬度（bm）及躍后水深（h″c）與相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)的方法和內(nèi)容

2.1 模型設(shè)計(jì)

由于常規(guī)水工模型試驗(yàn)主要作用力為重力，所以應(yīng)遵循重力相似準(zhǔn)則，即要保持模型與原型的佛汝德數(shù)相等。另外，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱骷霸囼?yàn)中還應(yīng)滿足下列條件：

（1）模型試驗(yàn)水流應(yīng)進(jìn)入阻力平方區(qū)，若有困難時(shí)也應(yīng)保持在紊流區(qū)；

（2）當(dāng)模型糙率達(dá)不到相似要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行合格的糙率校正；

（3）試驗(yàn)水深應(yīng)大于3cm，模型表面流速不宜大于23cm/s；

（4）水工建筑物模型應(yīng)采用正態(tài)模型；

（5）模型比尺不宜小于 1∶80。

模型成型后總長為22.3m，總寬度6.8m，最大高度1.5m，模型設(shè)計(jì)合理，比尺較大，為提高試驗(yàn)精度和可靠性奠定了基礎(chǔ)。

2.2 實(shí)驗(yàn)程序及方法

2.2.1 始流情況測試

在閘門全關(guān)狀態(tài)下，將上游蓄到一定水位，然后將閘門開啟到一定開度（第一開度）觀測始流狀態(tài)下消力池中水流的擴(kuò)散，水躍現(xiàn)象，觀測下游段（海漫）水流的銜接變化情況。

（1）為測始流情況下閘下消力池的水流狀態(tài)，將上游蓄水到設(shè)計(jì)蓄水位時(shí)，開啟閘門，此時(shí)，消力池中水深小、流速大、水流擴(kuò)散大，且變化較快；當(dāng)消力池中水滿之后，水流擴(kuò)散趨于穩(wěn)定。

（2）當(dāng)水流通過消力池進(jìn)入海漫段后，由于受消力池末端直坎的影響，水流進(jìn)一步擴(kuò)散，但不能全部擴(kuò)散到左右岸坡處；中心線處水深大，向兩側(cè)逐漸變小，靠左右兩岸岸坡處仍有較小的回流現(xiàn)象。

剛開啟閘門時(shí)，因下游水位很低且海漫后半部為1∶10反坡，當(dāng)水流進(jìn)入海漫時(shí)，在海漫的斜坡段上發(fā)生二次水躍現(xiàn)象，隨著下游水位的升高，水躍逐漸由下游向上游移動(dòng)，由斜坡段逐漸移到上游的水平段，隨著下游水位的穩(wěn)定，二次水躍現(xiàn)象穩(wěn)定在某一個(gè)位置（下游水位較低時(shí)）或消失。

2.2.2 正常過流狀態(tài)

在始流過后，下游水位抬高到正常穩(wěn)定水位，其僅隨過流量的改變而升降。為使正常過流觀測成果可靠，在上、下游水位基本穩(wěn)定后，開始觀測，保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（1）固定進(jìn)水管的閥門和尾水控制閘門，控制好閘門開度，待上、下游水位基本穩(wěn)定后，用測針測量進(jìn)水堰和溢水堰（三角堰）的堰上水位、閘門開度和下游水位等，計(jì)算進(jìn)水總流量、溢出流量和過閘流量；用鋼尺測量消力池中收縮斷面水深、水躍的躍后水深和水躍斷面前后的收縮及最大擴(kuò)散寬度；用畢托管觀測Ⅰ～Ⅴ斷面的流速分布情況。觀察記錄消力池中漩渦的位置、大小及水面流態(tài)。

（2）閘門開度不變，變化上、下游水位。觀測消力池中水躍的躍后水深、最大擴(kuò)散寬度等水流變化規(guī)律，觀察記錄消力池中漩渦的位置及流態(tài)的變化。

（3）改變閘門開度，觀測不同開度、過水流量情況下水躍及流態(tài)的變化情況。

（4）改變開啟的閘門寬度b（或改變消力池寬度B）以不同的B/b變化，觀測多孔閘開少數(shù)孔時(shí)，不同的B/b值對(duì)消力池中水躍最大擴(kuò)散寬度和水躍的躍后水深的影響，并計(jì)算單寬流量變化對(duì)水躍的影響。在開度和上、下游水位不變的情況下，B/b值在1.0～10（間距1.0）之間進(jìn)行變化，重復(fù)觀測各相關(guān)參數(shù)值。

（5）改變消力池深度，將消力池深度變化為0，0.3，0.6，0.9，1.2五種情況， 再重復(fù)上面變化水深、開度等值，以觀測不同消力池深度時(shí)的水流的流態(tài)及對(duì)最大水躍擴(kuò)散寬度和水躍的躍后水深等參數(shù)的影響。

（6）順?biāo)飨蛞苿?dòng)中墩的位置，改變閘門后水平段長度，觀測其對(duì)各觀測參數(shù)及消力池中水流的流態(tài)的影響。

3 實(shí)驗(yàn)成果分析

3.1 始流情況流態(tài)分析

對(duì)平原地區(qū)河道蓄排水過程中，在水閘上游蓄水到一定水位，下游無水或水位很低的狀態(tài)下，打開中間閘孔放水。此時(shí)，閘下出流為典型的三元始流水流狀態(tài)，由于水閘初始孔口開啟較小，水流出閘后急速前進(jìn)，并向兩側(cè)擴(kuò)散，當(dāng)遇消力池尾墻時(shí)，加速擴(kuò)散并越過尾坎流向海漫。先在海漫斜坡段產(chǎn)生水躍，水躍由大變小并逐漸上移，直到形成淹沒水躍；此時(shí)，水流主流貼近河底且流速較大，急速前進(jìn)，沖刷力較強(qiáng)，同時(shí)，消力池內(nèi)形成立軸漩渦，水流狀態(tài)紊亂而復(fù)雜，很容易造成對(duì)下游海漫的沖刷破壞。隨著過水流量的增加，下游水位抬高，水流進(jìn)一步擴(kuò)散，流速減小，沖刷能力趨于正常。

從始流的水流狀態(tài)分析，該狀態(tài)下，下游水深很小且流速較大，容易造成對(duì)下游的沖刷，但由于流量小、歷時(shí)短，只要加強(qiáng)海漫上游段抗沖性能，嚴(yán)格控制好海漫段的施工質(zhì)量，不會(huì)產(chǎn)生較大的沖刷。對(duì)較重要的水閘，可在海漫水平段末端加一小坎，抬高下游水位，防止瞬時(shí)高速水流的沖刷。

3.2 多孔閘開少數(shù)孔時(shí)的空間水躍

3.2.1 消力池中水流流態(tài)實(shí)驗(yàn)及分析

為較好地解決平原多孔水閘開啟少數(shù)孔時(shí)水流在始流狀態(tài)復(fù)雜流態(tài)，進(jìn)行了大比尺的水工模型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，多孔閘開啟少數(shù)孔時(shí)，閘孔水流出閘后，在門后的水平段或斜坡段的上半段先有較小的擴(kuò)散，入池后在重力及池中水流作用下開始收縮，到斜坡段的底部收縮到最?。╤c），隨流量及下游水位的減小，收縮斷面下移；然后水流開始喇叭形擴(kuò)散，直到最大寬度（bm）處產(chǎn)生水躍第二共軛水深（h″c）。 其中bm和h″c值的大小與單寬流量、消力池寬與開啟孔寬的比值（B/b）、消力池的深度、下游水深等參數(shù)有關(guān)。

水流中心水深大、流速高、方向直，兩側(cè)水流水深、流速逐漸減小，水流方向向外側(cè)彎曲至回流，形成兩側(cè)的立軸漩渦。漩渦的位置隨流量和擴(kuò)散度的增加而變小，變成橢圓形并向下游移動(dòng)。消力池中橫向水面有一定的坡降。該流態(tài)如圖1所示。

3.2.2B/b值對(duì)bm及h″c的影響

在保持過閘單寬流量q，消力池深度，上下游水深等參數(shù)不變的情況下，通過改變開啟閘門的寬度b，變化B/b值，可測得相應(yīng)的最大水流擴(kuò)散寬度bm及躍后水深h″c的變化規(guī)律。其部分典型數(shù)據(jù)如表1，并由其繪制的關(guān)系曲線如圖2所示。

由表1及圖2可見，隨著B/b值增加，擴(kuò)散空間變大，而bm和h″c值先隨之減小，當(dāng)B/b=5時(shí)達(dá)到最小，然后，又稍有增加并趨于穩(wěn)定。當(dāng)B/b=3～4時(shí)，主流擺動(dòng)，容易形成折沖水流。當(dāng)B/b=6時(shí)，而bm值變幅很小，基本達(dá)到一穩(wěn)定值（3.10m）。

表1 典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2.3 過閘單寬流量q對(duì)bm、h″c的影響

當(dāng)B/b值、消力池深度、下游水深等不變時(shí)，過閘單寬流量增加，最大擴(kuò)散寬度bm和h″c隨之增加。表2為幾組典型的測試數(shù)據(jù)，并由表2的數(shù)據(jù)繪出兩者關(guān)系如圖3。

由表2及圖3看出，當(dāng)單寬流量q開始增加時(shí)，隨之增大，但增加速率較小，當(dāng)q進(jìn)一步加大時(shí)，則bm的增加速率變大。究其原因，過閘單寬流量增大，閘后水深大、流速高，出閘孔水流集中，橫向水壓差大擴(kuò)散寬度必然增加。

表 2 q與 bm及 h″c關(guān)系

池中躍后水深h″c隨q的增大而增加，開始時(shí)增幅較大，當(dāng)q達(dá)到某一定值時(shí)，h″c增幅變小且趨于某一穩(wěn)定。

3.2.4 消力池深度、下游水深對(duì)bm、h″c的影響

當(dāng)過閘單寬流量、擴(kuò)散度B/b等參數(shù)固定不變時(shí)，消力池深度及下游水深的變化對(duì)水流的擴(kuò)散寬度bm、躍后水深h″c的影響是比較明顯的，下游水深和消力池深度兩者對(duì)bm、h″c影響的變化趨勢(shì)是一致的。

表3列出了在單寬流量、擴(kuò)散度、消力池深等參數(shù)不變的條件下，下游水深 ht變化時(shí)的 bm、h″c觀測數(shù)據(jù)。由表3繪出其相互關(guān)系曲線見圖4。

由表3及圖4分析可得，當(dāng)下游水深逐漸增大時(shí)，消力池中水流擴(kuò)散寬度bm隨之減小，當(dāng)下游水深達(dá)到一定深度（1.08m）時(shí)，bm則趨于穩(wěn)定于某固定值（2.70m）。而池中最大水深h″c，則隨著下游水深的增大而增加，當(dāng)下游水深達(dá)到某一定值（1.08m）時(shí)，h″c值趨于穩(wěn)定（1.60m）。

同理，在其他條件不變的狀態(tài)下，通過調(diào)整消力池的深度可得到bm、h″c的變化趨勢(shì)與以上結(jié)果相同。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)池深為0.9m時(shí)，水流的擴(kuò)散寬度bm及池內(nèi)躍后最大水深h″c穩(wěn)定于某一特征值。

表 3 ht與 bm、h″c關(guān)系單位：m

4 結(jié)語

（1）在始流情況下，加強(qiáng)海漫上游段的消能抗沖設(shè)計(jì)；嚴(yán)格控制其施工質(zhì)量，保證防沖消果。對(duì)大中型水閘，可在海漫的水平段末端，加小于0.5m的小坎。

（2）多孔閘開少數(shù)孔時(shí)的空間水躍狀態(tài)，由于水流的擴(kuò)散，水躍的躍后水深（h″c）大為減小，與按平面水躍計(jì)算的情況相比，消力池深度可減小1/3～1/2倍。

（3）在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)水閘設(shè)計(jì)工況的具體參數(shù)，合理確定消減比例，慎重選用。必要時(shí)，應(yīng)針對(duì)工程具體情況，進(jìn)行水工模型實(shí)驗(yàn)。

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