巢湖兆河分洪閘泄流特性試驗研究

巢湖兆河分洪閘泄流特性試驗研究

王慧，周虹均，曹廣學(xué)，孫硯

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥230009)

摘要：受周邊地形條件及環(huán)境限制，巢湖兆河分洪閘與河道呈垂直布置，進(jìn)流條件不利。針對分洪閘與河道垂直布置這一特征，分別對開敞式和涵洞式分洪閘進(jìn)行了水工模型進(jìn)口流態(tài)試驗分析，結(jié)果表明涵洞式分洪閘進(jìn)流流態(tài)優(yōu)于開敞式分洪閘，能更好地保證各閘孔的均勻進(jìn)流。針對涵洞式分洪閘方案，研究了分洪閘敞泄和控泄的泄流能力，指出敞泄?fàn)顟B(tài)下進(jìn)口行近流速對流量計算影響明顯，在水閘規(guī)劃設(shè)計中，應(yīng)計入行近流速影響。為改善消能效果及出口水流與下游的銜接，進(jìn)行了多方案消能防沖改進(jìn)試驗，結(jié)果表明尾坎作為一種沖擊式消能工布置在挖深式消力池末端，可使出口水流流速分布更加均勻并與下游水流銜接更為平順，明顯增強消能防沖效果。

關(guān)鍵詞：分洪閘； 泄流能力； 進(jìn)口流態(tài)； 消能防沖

中圖分類號：TV872

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-640X(2015)03-0059-07

Abstract：Restricted by the surrounding terrain conditions and environment, the flood diversion sluice of Chaohu Zhaohe has an arrangement vertical to the axis of the river channel, and thus the river inflow conditions are not favorable. In view of the characteristics of the flood diversion sluice located vertically to the axis of the river channel, experimental analysis of the inlet flow patterns of the flood diversion sluice under the working conditions of open type and culvert type are carried out in a hydraulic model. The model test results show that the inlet flow patterns of the flood diversion sluice under the working conditions of the culvert type are much better than those of the open type release, which well keeps uniform flow incoming into the gate openings. Therefore, aiming at the scheme of the culvert-type flood release, analysis of the discharge capacity of the open release and controlled release of the flood diversion sluice is made, pointing out that the impacts given by the approach velocity upon discharge calculation should be taken into account during the sluice design calculation. In order to improve energy dissipation effects and the outlet flow patterns inflowing into the lower reach, the multiobjective energy dissipation tests with erosion control are made at the same time. The test results indicate that an impact-type energy dissipater having a baffle sill, located on the end of the deep-cut stilling basin, can make the outlet velocity distribution much more uniform and the outlet flow more smooth into the lower flow, and can significantly increase the effects of the energy dissipation and erosion control of the flood diversion sluice.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.010

收稿日期：2014-10-01

基金項目：天津市自然科學(xué)基金資助項目(14JCYBJC22100)；天津市建交委科技項目(2013-8)；河北省自然科學(xué)基金資助項目(E2012201057)

作者簡介：蔣學(xué)煉(1975—)， 男， 湖南桃源人， 副教授， 博士， 主要從事港口、海岸及近海工程研究。

通常分洪閘布置在彎曲河段的凹岸稍偏下游或順直河道的深槽一側(cè)，引水方向盡可能與主流方向一致，兩者中心線夾角不宜超過30°。這不僅有利于分洪閘引水，進(jìn)口流態(tài)好，且可以利用彎道的環(huán)流作用，將底沙向凸岸推移，減少底沙進(jìn)入水閘[1]。巢湖兆河分洪閘受地形條件及周邊環(huán)境的限制，水閘中心線與兆河河道垂直，該布置形式不利于泄洪進(jìn)水，影響水閘泄流能力。同時由于分洪初始階段，水流流向垂直于閘中心線，各閘孔進(jìn)水流速分布不均勻，使得閘室及消力池內(nèi)部水流流態(tài)惡劣，危害水閘整體穩(wěn)定[2]。本文針對巢湖兆河分洪閘與河道垂直布置這一特征，分別對開敞式和涵洞式分洪閘進(jìn)行進(jìn)口流態(tài)試驗比較。并選用進(jìn)口流態(tài)相對較好的涵洞式分洪閘方案進(jìn)一步開展水工模型整流改進(jìn)試驗，分析研究垂直于河道布置分洪閘的泄流消能特性。

兆河分洪閘位于巢湖兆河白湖農(nóng)場右岸東大圩堤防上，設(shè)計流量230 m3/s，屬三等中型水閘。為模擬通過分洪閘的水流流態(tài)，保證水流進(jìn)出閘流態(tài)相似，水工模型試驗范圍包括閘上游300 m和下游200 m。根據(jù)《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》(SL 155—2012)，在滿足重力相似基礎(chǔ)上水工建筑物模型采用正態(tài)模型。根據(jù)模型范圍相似條件、試驗場地等因素綜合考慮，水工模型試驗的整體模型設(shè)計選定模型比尺為λl=40[3]。

1泄洪進(jìn)口流態(tài)分析

開敞式分洪閘方案，水閘共3孔，單孔凈寬8 m，總凈寬24 m。水閘底板高程6.4 m，閘墩頂高程為13.5 m，閘室水流方向長18 m，中墩厚1.2 m，中墩上下游均為圓弧形墩頭，邊墩厚1 m，閘室總寬度28.4 m。閘室底板采用整體式，厚1.2 m。樞紐工程布置見圖1(a)。

涵洞式分洪閘為無壓式，涵洞孔口總凈寬30 m，選用6孔鋼筋混凝土箱涵，單孔寬5.0 m，孔高5.0 m，涵底高程4.5 m。6孔涵洞分為兩聯(lián)，3孔一聯(lián)，兩聯(lián)之間凈距5.0 m，中間填土。涵洞縱向總長24 m，分成2節(jié)，各節(jié)長度相同。涵洞出口布置閘門控制段，設(shè)置防洪工作閘門和檢修閘門各一道。涵洞頂、底板厚0.8 m，側(cè)墻厚0.7 m，中隔墻厚0.6 m,在兩聯(lián)涵洞進(jìn)出口段設(shè)置圓弧形導(dǎo)流墩[2]。樞紐工程布置見圖1(b)。

圖1　開敞式和涵洞式分洪閘整體模型平面布置 Fig.1 Layout of an overall model with open and culvert sluices

運行工況為：設(shè)計進(jìn)洪工況，外河側(cè)水位11.71 m(水深 7.21 m)，圩內(nèi)側(cè)水位 8.5 m(水深4.00 m)；校核進(jìn)洪工況，外河側(cè)水位 12.5 m(水深 8.00 m)，圩內(nèi)側(cè)水位 7.5 m(水深3.00 m)。兩種工況下，流量均為230 m3/s。

開敞式分洪閘在設(shè)計進(jìn)流條件下，當(dāng)下游水位為8.5 m時，控制過閘流量，閘孔開度較小，水流為閘孔出流。河道主流在閘上進(jìn)口約150 m處開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角約為20°。該方案閘前雖設(shè)有導(dǎo)流堤引流進(jìn)入閘室，但長度有限作用不明顯[4]，且閘前右側(cè)水流受左側(cè)導(dǎo)流堤頂沖作用，在閘前右側(cè)河漫灘形成較大范圍回流區(qū)，擠壓閘前主流使其偏向分洪閘左側(cè)閘孔，閘前左側(cè)流速明顯大于右側(cè)，各閘孔出流速度分布不均，進(jìn)口流態(tài)復(fù)雜。水閘泄洪初期閘門開度較小，出流雖為閘孔出流，但兩邊孔易形成貫通式漩渦[5-6]。開敞式水閘設(shè)計進(jìn)洪工況時流態(tài)見圖2(a)(閘門開度e=1.40 m)。

涵洞式分洪閘，控泄時河道主流偏流現(xiàn)象不明顯，僅在閘上進(jìn)口附近約80 m處水流明顯向分洪閘側(cè)偏轉(zhuǎn)；敞泄時河道主流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角30°~40°。此時涵洞式水閘進(jìn)口系淹沒式進(jìn)流，進(jìn)口流態(tài)相對較好，左右兩側(cè)閘孔出流較為均勻，各閘孔流速相差不大。涵洞式水閘設(shè)計進(jìn)洪工況時流態(tài)見圖2(b)(e=1.18 m)。

圖2　開敞式和涵洞式水閘設(shè)計進(jìn)洪工況時流態(tài) Fig.2 Design flow patterns under conditions of open and culvert sluices

比較而言，涵洞式分洪閘進(jìn)洪流態(tài)明顯優(yōu)于開敞式分洪閘。對于與河道垂直布置的分洪閘建議采用涵洞式分洪閘。下面選用進(jìn)口流態(tài)相對較好的涵洞式分洪閘方案，進(jìn)一步進(jìn)行水工模型試驗，分析其泄洪特性，并采用整流措施消力池優(yōu)化試驗，提高其消能防沖效果。

2泄流特性分析

2.1敞泄泄流

圖3　敞泄時下游水位與流量關(guān)系曲線 Fig.3 Stage discharge relation curves of open drainage

2.1.1泄流試驗當(dāng)兆河超過承泄能力，啟用分洪閘泄洪時，兆河水位基本不變，圩內(nèi)水位隨洪水泄入逐漸抬高。隨著閘上下游水位差逐漸降低，泄流能力也隨之減小。試驗時控制兆河水位為11.71和12.50 m兩種情況，閘門全部打開，改變下游水位，實測過閘流量。當(dāng)兆河水位11.71 m，圩內(nèi)水位11.51 m時，過閘流量為284.69 m3/s，大于設(shè)計流量230 m3/s，過流能力滿足要求。試驗得出下游水位與泄流量關(guān)系曲線見圖3。水閘全開，水流出閘流態(tài)隨下游水深增加由自由出流變?yōu)檠蜎]出流。臨界值為：下游水深ht=5.4 m(H上=11.71m，H下=11.41m)，ht=6.06m(H上=12.50m，H下=12.06m)。淹沒出流時下游水深對過閘流量影響較大。

2.1.2試驗值與計算值比較敞泄時閘門全開，兆河水位漲高后過閘水流為有壓流，可按下式[7]計算泄流量：

(1)

式中：μ為流量系數(shù)；w為涵洞出口斷面面積；H0為計入行近流速水頭的上游堰上水深；hs為下游水頭。

(2)

式中：ξi為局部水頭損失系數(shù)；wi為與ξi相應(yīng)流速的斷面面積；li，Ri，Ci為某均勻洞段長度、水力半徑和謝才系數(shù)。

一般水閘在規(guī)劃設(shè)計階段缺乏試驗資料，垂直于河道布置的水閘進(jìn)口流速難以確定，往往不計入行近流速或以設(shè)計流量除過流斷面面積計算行近流速[8]。通過式(1)對水閘泄流量進(jìn)行計算并與試驗數(shù)據(jù)對比，結(jié)果列于表1。

表1　計算流量與實測流量比較

可以看出，雖計算值均比實測值略小，但計入行近流速后計算流量更接近實測流量值。在高淹沒度出流時流速水頭僅占堰上總水頭的0.46%~0.69%，計入行近流速水頭后流量計算值卻增加7.5%~10.5%。參考有關(guān)水閘水工模型試驗資料[9]，對比4座側(cè)面近水的水閘(雙橋閘分洪閘、荊山湖分洪閘、荊山湖退洪閘、姜唐湖退洪閘)試驗及計算數(shù)據(jù)見表2，可見行近流速水頭對垂直于河道布置分洪閘泄流量的影響非常明顯。因此，敞泄條件下計算垂直于河道布置分洪閘泄流量時應(yīng)計入行近流速。

表2　4座水閘計算流量與實測流量比較

2.2控泄泄流

2.2.1控泄試驗控泄時，閘門部分開啟，閘下水流呈孔流狀態(tài)。由于泄洪開始階段，閘下水位較低，試驗選取上游水位11.71 和12.50 m兩種情況；圩內(nèi)水位8.5 m?？刂粕舷掠嗡?，實測不同閘門開度時的過閘流量。當(dāng)閘門開度為1.5 m時已能達(dá)到泄洪要求。試驗結(jié)果見表3。

表3　控泄計算值與實測值比較

2.2.2試驗值與計算值比較泄洪初期，閘門開度較小，涵洞內(nèi)水流呈明流狀態(tài)，選取孔流公式[7]計算：

(3)

式中：σs為淹沒系數(shù)；e為閘門開度；b為閘孔凈寬；μ0為流量系數(shù)，μ0=0.60-0.176e/H0；H0為上游堰上水頭。

從表3可見，根據(jù)上下游水位，采用上述算法計算流量與試驗實測流量較為吻合，偏差基本在5%以內(nèi)。因此，控泄?fàn)顟B(tài)下計算垂直于河道布置分洪閘泄流量時可以忽略行近流速水頭。

控泄時河道主流基本不發(fā)生偏流，僅在閘上進(jìn)口附近80 m處水流明顯向分洪閘側(cè)偏轉(zhuǎn)；敞泄時河道主流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角30°~40°。這種布置形式下涵洞式水閘進(jìn)口系淹沒式進(jìn)流，進(jìn)口流態(tài)相對較好，左右兩側(cè)閘孔出流較為均勻。在閘上游右側(cè)翼墻后及下游兩導(dǎo)流堤后大面積區(qū)域出現(xiàn)死水區(qū)。分洪閘左右兩側(cè)閘孔出流較為均勻，各閘孔流速相差不大。

3泄洪出口流態(tài)及消能防沖改進(jìn)試驗

3.1泄洪出口流態(tài)試驗

控制上游水位11.71 m，圩內(nèi)水位8.5 m，控制閘門開度1.27 m，過閘流量230 m3/s。下游翼墻及導(dǎo)流堤末端有回流現(xiàn)象，流速0.4 m/s，建議加強兩側(cè)導(dǎo)流堤護(hù)砌。

消力池原設(shè)計護(hù)坦高程2.5 m，末端頂部高程4.5 m，池長22.4 m。考慮下游圩內(nèi)分布有溝渠泄洪時有一定的積水，采取防沖最不利情況，選取上游水位11.71 m，圩內(nèi)水位7.5 m作為消能防沖試驗工況。

試驗顯示，原方案中閘門開度1.18 m，流量230 m3/s時，池內(nèi)消能形式呈面流消能，閘下水流水躍長度超出消力池3~4 m，消力池下游流速過大。水流出防沖槽后形成的擴散區(qū)，流速達(dá)到2 m/s，對下游產(chǎn)生較大沖刷，消能效果不佳。由于閘后蓄洪區(qū)泄洪初始階段水位較低，不建議采用面流消能。

3.2消能防沖改進(jìn)試驗

為改善消能效果及出池水流與下游的銜接形式，形成底流消能，參考相關(guān)資料[10-12]，在原消力池設(shè)計基礎(chǔ)上，采取以下4種改進(jìn)方案：①增設(shè)1排消力墩；②增設(shè)1排消力墩，抬高護(hù)坦高程0.5 m；③增設(shè)1排消力墩，抬高護(hù)坦高程1.0 m，末端設(shè)0.5 m尾坎；④抬高護(hù)坦高程1.0 m，末端設(shè)0.5 m尾坎。原布置方案和4組修改方案布置及試驗結(jié)果見表4。

表4　消力池各修改布置方案試驗結(jié)果

從表4可見，修改方案1中消力池內(nèi)增設(shè)消力墩后，在消能起始運用條件下，出閘水流仍表現(xiàn)為面流消能，消力墩作用不太明顯，水躍長度雖有所減小，但仍超出消力池范圍；修改方案2在修改方案1的基礎(chǔ)上抬高底板，池內(nèi)消能形式為底流消能，但水躍躍后斷面到達(dá)尾坎頂部，消力池長度偏短；修改方案3：在方案3的基礎(chǔ)上抬高底板至1 m，水躍躍長明顯縮短，消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的淹沒水躍，出閘水流與下游水流銜接良好；修改方案4在方案2的基礎(chǔ)上不設(shè)消力墩，水流經(jīng)消力池尾坎調(diào)節(jié)，底部流速較小，且在坎后產(chǎn)生小橫軸旋滾，減少了對尾坎后的沖刷，并有利于平面擴散和消減下游邊側(cè)回流。

尾坎作為一種沖擊式消能工，對出池水流起阻擊作用，增加水流旋滾消耗能量。從動量守恒角度看，水躍方程[10]為：

(4)

(5)

綜合分析比較，增設(shè)尾坎后消能效果明顯改善，且出池水流流速分布均勻，推薦修改方案4作為優(yōu)化方案。消力池優(yōu)化布置，分洪閘在設(shè)計工況和校核工況下試驗，防沖槽末端最大底部流速為1.16 m/s，小于不沖流速1.22 m/s。防沖槽末端流速滿足設(shè)計要求。

4結(jié)語

(1)分洪閘軸線垂直于河道布置影響進(jìn)流效果，水閘進(jìn)口出現(xiàn)不同程度的偏流，涵洞式分洪閘進(jìn)水流態(tài)明顯優(yōu)于開敞式分洪閘。

(2)分洪閘敞泄?fàn)顟B(tài)下進(jìn)口行近流速對流量計算影響顯著，在水閘規(guī)劃設(shè)計階段，應(yīng)計入行近流速計算敞泄流量，控泄?fàn)顟B(tài)下可以忽略行近流速水頭。

(3)原方案分洪閘消力池中部有較大面積回流，對中間閘孔出流有一定影響，閘下出流水躍亦超出消力池。通過優(yōu)化改進(jìn)試驗，抬高護(hù)坦高程1.0 m，末端增設(shè)0.5 m尾坎，消能效果明顯改善。在挖深式消力池后設(shè)尾坎，不僅可減少開挖量，節(jié)省工程投資，而且改善了池內(nèi)水流流態(tài)，對同類工程優(yōu)化設(shè)計提供有益參考。

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Model tests on discharge characteristics for Chaohu Zhaohe flood diversion sluice

WANG Hui, ZHOU Hong-jun, CAO Guang-xue, SUN Yan

(SchoolofCivilandHydraulicEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Key words： flood diversion sluice; discharge capacity; inlet flow patterns; energy dissipation and erosion control

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