某節(jié)制閘水力學(xué)模型試驗(yàn)研究

鄧水明

（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司 廣東廣州 510610）

1 工程概況

某新建節(jié)制閘位于老閘下游約50m處，按排洪50年一遇設(shè)計(jì)，100年一遇校核，設(shè)計(jì)校核排洪流量1000m3/s，建成后將全面提升中運(yùn)河段的防洪、排澇、灌溉、發(fā)電等綜合功能。新建節(jié)制閘共7孔，單孔凈寬10m，采用新型圓角梯形堰，堰頂高程11.5m，上游堰高3.0m，采用弧形閘門進(jìn)行閘孔的泄流控制。

2 斷面物理模型試驗(yàn)

2.1 模型設(shè)計(jì)

2.1.1 模型相似準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)制作

模型試驗(yàn)按試驗(yàn)規(guī)程[1]中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[2]，同時(shí)兼顧阻力相似，幾何正態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)要求，采用模型長(zhǎng)度比尺λL=25，相應(yīng)：

流速比尺：λV=250.5=5；流量比尺：λQ=252.5=3125；糙率比尺：λn=251/6=1.71。

模型包括供水系統(tǒng)、量水堰、斷面模型和尾水系統(tǒng)，全長(zhǎng)約20m。斷面模型選取2孔閘寬進(jìn)行模擬，上游模擬至閘前約130m處，下游模擬至閘下約150m處。建筑物模型全部依照設(shè)計(jì)圖紙按比例用有機(jī)玻璃板精制。有機(jī)玻璃板糙率為0.0075～0.008，相當(dāng)于原型混凝土糙率0.0132左右。河道用水泥砂漿抹面，糙率為0.012左右，相當(dāng)于原型河道糙率0.020左右。模型水槽平面尺寸控制精度±2mm，建筑物尺寸控制精度±0.3mm，安裝高程誤差小于±0.3mm。

2.1.2 測(cè)量?jī)x器

模型試驗(yàn)由循環(huán)式供水系統(tǒng)供水。循環(huán)式供水系統(tǒng)由蓄水庫(kù)、水泵房、平水塔、供水管及回水槽等組成。模型下游水位采用插板式尾門進(jìn)行控制。

（1）流量測(cè)量。

模型進(jìn)水側(cè)流量采用電磁流量計(jì)作為一次儀表，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制與采集，出水側(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)矩形薄壁堰對(duì)流量進(jìn)行校核，以提高流量測(cè)量的可靠性和精度，堰頂與測(cè)針零點(diǎn)誤差小于0.2mm。

（2）水位、水面線測(cè)量。

庫(kù)水位和下游河床水位均采用測(cè)針筒引出后利用測(cè)針進(jìn)行量測(cè)，測(cè)針量測(cè)精度為0.1mm。水面線采用鋼尺進(jìn)行直接測(cè)量。

（3）流速流態(tài)測(cè)量。

泄水建筑物等泄槽及洞身內(nèi)流速通常比較大，采用畢托管進(jìn)行測(cè)量。下游河道流速在流速方向比較確定的區(qū)域采用光電旋槳式流速儀測(cè)量，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行多點(diǎn)同步采集，旋槳式流速儀起動(dòng)流速為0.025m/s。局部流速采用直讀式旋槳流速儀進(jìn)行測(cè)讀。

水流流態(tài)采用直接量測(cè)、數(shù)碼攝像、照相相結(jié)合的方法記錄和分析。

2.2 節(jié)制閘泄流能力試驗(yàn)

2.2.1 閘門全開運(yùn)行泄流能力

當(dāng)閘門全開運(yùn)行時(shí)，過閘水流為堰流，下泄流量隨上下游水位變化，試驗(yàn)中分別測(cè)得不同上下游水位下的過閘流量，并按式（1）計(jì)算：

式中：m-考慮行近流速水頭、下游淹沒和側(cè)收縮影響的綜合流量系數(shù)；H-上游堰頂（堰頂高程11.5m）以上水頭（m）；B-2閘孔凈寬（2×4.0=8.0m）；Q-過閘流量（m3/s）。

整理后的試驗(yàn)結(jié)果表明，綜合流量系數(shù)與相對(duì)淹沒度hs/H（hs為下游堰頂以上水深）具有較好的相關(guān)關(guān)系。

節(jié)制閘門全開運(yùn)行時(shí)綜合流量系數(shù)與相對(duì)淹沒度的關(guān)系雖然總體規(guī)律較好，但與傳統(tǒng)水閘堰流相比試驗(yàn)點(diǎn)較為離散，根據(jù)試驗(yàn)流態(tài)的觀察分析認(rèn)為，堰流情況下，閘上水位點(diǎn)位于老閘底板和新閘底板之間，上游水位點(diǎn)水位受老閘的影響水面波動(dòng)較大，流量系數(shù)的精度受到一定程度影響，而且難以準(zhǔn)確得到自由堰流時(shí)流量系數(shù)。

2.2.2 閘門局部開啟泄流能力

閘門局部開啟運(yùn)行視下游水位對(duì)閘孔出流的影響可分為閘孔自由出流和淹沒出流兩種狀態(tài)。

自由孔流流量按式（2）進(jìn)行計(jì)算[3]：

式中：μ-自由孔流流量系數(shù)；B-2閘孔凈寬（2×4.0=8.0m）；e-閘門開啟高度（m）；H-堰頂以上水頭（m），試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，μ與e/H有良好的相關(guān)關(guān)系，為了使用方便，擬合成以下公式：

式中：Cs-淹沒孔流流量系數(shù)，其它符合同前。試驗(yàn)結(jié)果表明，Cs與hs/e有良好的相關(guān)關(guān)系見圖1。利用回歸分析可以得到：

圖1 淹沒孔流流量系數(shù)與關(guān)系曲線

2.3 節(jié)制閘上下游水流流態(tài)

節(jié)制閘上下游水流流態(tài)主要受邊界、上下游水位以及閘門開啟方式的影響，理論上只有完整水閘的水力學(xué)模型試驗(yàn)才能預(yù)演過閘的水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)，得到與原型一致的水流流態(tài)。斷面模型的水力學(xué)模型試驗(yàn)可以了解過閘水流的二元流動(dòng)。

2.3.1 特征水位節(jié)制閘上下游水流流態(tài)

特征水位工況（校核、設(shè)計(jì)）下泄1000m3/s流量時(shí)由于水閘上下游水位差較小，水閘的出流屬于淹沒孔口出流狀態(tài)。試驗(yàn)觀察到，閘前來流較為平穩(wěn)，水面波動(dòng)較小。出閘水流波動(dòng)也不大。

2.3.2 堰流出流節(jié)制閘下游水流流態(tài)

自由堰流出流時(shí)，閘下消力池能形成完整的水躍，水流消能充分，淹沒堰流時(shí)，閘下只能產(chǎn)生波狀水躍，消能效果減弱。

2.3.3 自由孔流閘下水流流態(tài)

自由孔流閘下的出流流態(tài)與自由堰流相似，能在消力池內(nèi)形成完整的水躍，消能充分。

3 節(jié)制閘立面二維水流數(shù)值模擬

為進(jìn)一步研究節(jié)制閘過流時(shí)水流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，為節(jié)制閘運(yùn)行和調(diào)度提供依據(jù)，進(jìn)行節(jié)制閘立面二維水流數(shù)值模擬研究，模型的建立。通過典型各種計(jì)算工況下節(jié)制閘上下游水流流速分布、流速等值線、水面線等數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步印證試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際相吻合。

4 結(jié)語

本文基于水槽斷面模型觀測(cè)與分析了新型圓角梯形堰在各種出流（堰流、孔流）方式下的泄流能力規(guī)律；基于立面二維水流數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Flow-3D軟件模擬了節(jié)制閘不同泄流方式閘下水流的流動(dòng)規(guī)律；得出的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果可為節(jié)制閘的運(yùn)行管理及優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。