某水閘結(jié)構(gòu)導(dǎo)流墻對水流狀態(tài)的影響研究

戴正才,胡 明,吳玉潔

(江蘇省響水灌河地涵管理所，江蘇 響水 224600)

在中小河流上，水閘是一種常見的水工建筑物，其用于對水流進行控制[1]。水閘在運行過程中，要控制下泄水流狀態(tài)在合理的范圍內(nèi)，而消力池是水閘泄流中一種有效的消能方式，同時在消力池下游一般還設(shè)有消力坎，以提高消能效果[2]。如果經(jīng)消力池未能進行有效的消能，一般在消力池下游還設(shè)置有海漫，海漫用于對水流進行后續(xù)消能，但不是主要的消能方式[3]。在研究水閘下泄水流的過程中，研究水流的流動狀態(tài)是一項重要工作[4]，通過研究流動狀態(tài)，為消力池、海漫、下游護岸的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。為了改善水閘下泄水流的狀態(tài)，導(dǎo)流墻常設(shè)置在一些水閘結(jié)構(gòu)中。一般情況下，導(dǎo)流墻都設(shè)置在水閘下游的消力池中，而導(dǎo)流墻的結(jié)構(gòu)需要滿足實際水閘結(jié)構(gòu)的要求。由于導(dǎo)流墻對下泄水流狀態(tài)有重要影響，如果導(dǎo)流墻設(shè)計的合理，其不僅可以保證消力池具有良好的消能效果，而且可以保證下游海漫的水流流速在允許不沖流速的范圍內(nèi)。關(guān)于導(dǎo)流墻方面的研究中，牛云峰[5]從設(shè)計優(yōu)化的角度對水閘導(dǎo)流墻進行了研究；李博杰[6]對溢洪道中設(shè)置導(dǎo)流墻改善水流狀態(tài)的作用進行了分析，結(jié)果表明，如果導(dǎo)流墻設(shè)計的合理，對于提高消能效果，降低水流沖刷具有顯著的作用。目前在較多的溢洪道中都設(shè)置有導(dǎo)流墻，以使水流平順的進入溢洪道或改善下泄水流的狀態(tài)[7-9]。

對于水閘中設(shè)置的導(dǎo)流墻，考慮多種不同運行工況時，下泄水流狀態(tài)方面的研究較少。因此，本文以某多孔水閘結(jié)構(gòu)導(dǎo)流墻為例，研究下泄水流狀態(tài)受導(dǎo)流墻的影響，設(shè)置不同的閘門開啟方式和不同長度的導(dǎo)流墻，采用模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進行研究，分析導(dǎo)流墻對消力池和海漫上部水流狀態(tài)的影響，最終確定合理的導(dǎo)流墻形式，并給出該水閘的合理運行方式。

1 工程概況

某水閘位于江蘇某河流上，包含7個閘孔，水閘樞紐組成有：閘門、閘墩、啟閉設(shè)備、消力池、海漫等。根據(jù)水閘的實際尺寸，制作水閘的結(jié)構(gòu)模型，模型采用透明的亞克力板，確定的幾何比尺為1∶100，水閘原型的主要尺寸如下：閘孔寬8 m，消力池長19 m，消力池深度1 m，消力池斜坡坡度1∶4，由此確定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型尺寸分別為8 cm、19 cm、1 cm。模型試驗中的其他參數(shù)根據(jù)三大相似準則確定[10]，如圖1所示，為水閘的結(jié)構(gòu)模型。

2 導(dǎo)流墻對水流狀態(tài)的影響

在設(shè)計試驗方案時，分別擬定不同的導(dǎo)流墻長度Ld，具體為消力池池長Lx的0.50、0.60、0.75、1.00倍，對應(yīng)的原型長度分別為9.50 m、11.40 m、14.25 m、19.00 m。對恒定流狀態(tài)進行分析，上游水深控制為7 cm，閘門開度控制為1 cm。閘門開啟分為兩種形式，一種是連續(xù)對稱開啟三孔，一種是開啟單孔，根據(jù)水位與流量關(guān)系，兩種開啟形式對應(yīng)的下游水位分別應(yīng)控制為2 cm和1 cm。為了進行對比，將沒有導(dǎo)流墻的工況也進行模擬。

2.1 消力池中的水流狀態(tài)

對上面的試驗工況進行模型試驗，同時在CFD軟件中建模并進行數(shù)值模擬，得到躍后水深的試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，根據(jù)比尺換算到原型尺寸，如表1所示。如圖2和圖3給出了開啟單孔和三孔時，沒有導(dǎo)流墻和導(dǎo)流墻長度為消力池長度0.5倍的水深數(shù)值模擬結(jié)果云圖。

表1 不同工況下模型試驗和數(shù)值模擬的躍后水深

圖2 開啟單孔時的水深數(shù)值模擬結(jié)果云圖

圖3 開啟三孔時的水深數(shù)值模擬結(jié)果云圖

從表1可以發(fā)現(xiàn)，不同工況下開啟三孔時的相對誤差為1.75%～3.90%，開啟單孔時的相對誤差為1.11%～2.51%，相對誤差較小，說明了模型試驗結(jié)果是可信的。

從圖 2和圖 3中可以發(fā)現(xiàn)，在不設(shè)置導(dǎo)流墻時，下泄水流主要集中于消力池中央，由于消力池兩側(cè)存在速度很小的靜水區(qū)，所以水流有回流現(xiàn)象，在回流離心力的作用下，主流因為受到擠壓，單寬流量增大，使得臨界水深增大。結(jié)合模型試驗的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在海漫上存在二次水躍。設(shè)置導(dǎo)流墻之后，在開啟單孔時，導(dǎo)流墻下游的水流依然存在受擠壓的現(xiàn)象，水躍位置向下游移動，消力池中水流的流速較大；在三孔開啟的情況下，導(dǎo)流墻可以顯著減小單寬流量，兩側(cè)水流受到的擠壓作用較小，水躍的寬度明顯增大。

分析表2，并結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)，開啟單孔時，在導(dǎo)流墻范圍內(nèi)，兩側(cè)靜水區(qū)并沒有對水流造成擠壓影響。在導(dǎo)流墻下游，下泄水流依然受到兩側(cè)靜水區(qū)的擠壓，躍后水深并沒有因為設(shè)置導(dǎo)流墻而顯著減小。隨著導(dǎo)流墻長度增大，水躍的位置逐漸向下游移動，消力池末端的水流寬度也逐漸減小，下泄水流沒有得到有效擴散。水流流出消力池后，由于下游尾水存在擠壓作用，導(dǎo)致二次水躍的寬度小于一次水躍，二次水躍的寬度隨著導(dǎo)流墻長度的增大而減小。和沒有導(dǎo)流墻的水流狀態(tài)對比，可以發(fā)現(xiàn)：當導(dǎo)流墻長度為0.50Lx、0.60Lx時，躍后水深均增大，增大幅度分別為1.68%、3.70%；當導(dǎo)流墻長度為0.75Lx、1.00Lx時，躍后水深均減小，減小幅度分別為8.42%、1.01%。經(jīng)分析，當導(dǎo)流墻長度較大時，根據(jù)水躍起點和閘門的距離，水躍發(fā)生位置會向下游海漫移動，同時海漫的高程又較大，導(dǎo)致躍后水深較小。當導(dǎo)流墻長度逐漸增大時，二次水躍的發(fā)生位置逐漸向下游移動，距離消力池末端的距離逐漸增大。二次水躍之后，水流呈現(xiàn)出向兩邊擴散的狀態(tài)。

表2 開啟單孔時不同導(dǎo)流墻長度和水流狀態(tài)參數(shù) m

注：表中，hf1為躍后水深，L為水躍起點和閘門的距離，W為消力池末端水流的寬度，hf2為二次躍后水深，W2為二次水躍的最大寬度，L2為二次水躍和消力池末端的距離。

表3 開啟三孔時不同導(dǎo)流墻長度和水流狀態(tài)參數(shù) m

分析表 3，并結(jié)合圖 3可以發(fā)現(xiàn)，和沒有導(dǎo)流墻的對比，在連續(xù)對稱開啟三孔的情況下，主流的擴散作用較為明顯，水躍寬度增大。當導(dǎo)流墻長度為0.50Lx、0.60Lx、0.75Lx、1.00Lx時，躍后水深分別減小了3.33%、1.67%、1.39%、1.94%。當導(dǎo)流墻長度為0.50Lx時，二次水躍和消力池末端的距離減小幅度較大。當導(dǎo)流墻長度增大時，主流的擴散受到導(dǎo)流墻的抑制逐漸顯現(xiàn)出來，主流的寬度逐漸變窄，二次水躍的深度逐漸增大。開啟單孔和三孔的情況下，下泄水流回流隨著導(dǎo)流墻長度的增大而逐漸變?nèi)?，當?dǎo)流墻的長度接近0.50Lx時，幾乎沒有回流出現(xiàn)?？偨Y(jié)得出，當導(dǎo)流墻長度為消力池長度的一半時，消力池的消能效果較好，而且消力池中的水流狀態(tài)也可以控制在合理的范圍內(nèi)。

2.2 海漫上部的水流狀態(tài)

當水流流速過大時，海漫會受到?jīng)_刷，所以需要對海漫近底部的流速進行分析。選擇海漫上部1 m位置，對這個水平面的水流狀態(tài)進行分析，主要分析指標是流速。對開啟單孔、三孔及不同導(dǎo)流墻長度的情況進行數(shù)值模擬，獲得開啟單孔、三孔對應(yīng)不同導(dǎo)流墻長度的流速分布情況，如圖4、圖5所示。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在開啟單孔的情況下，下泄水流的流量較小，未布置導(dǎo)流墻時，海漫中的水流擴散較大，流速大的區(qū)域面積較大，最大流速約為7.5 m/s；布置導(dǎo)流墻后，海漫中的水流擴散受到抑制，流速較大的區(qū)域面積減小，但是最大流速呈現(xiàn)增大的趨勢。隨著導(dǎo)流墻長度的增大，水流逐漸被束窄，流速較大的區(qū)域向下游逐漸延長，單寬流量增大，對海漫造成了一定的沖刷。

圖4 開啟單孔時的海漫上部流速數(shù)值模擬結(jié)果

圖5 開啟三孔時的海漫上部流速數(shù)值模擬結(jié)果

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)對稱開啟三孔的情況下，未布置導(dǎo)流墻時，海漫區(qū)的主流受到兩側(cè)靜水區(qū)的擠壓而導(dǎo)致擴散受到抑制，最大流速約為5.9 m/s，流速整體較小，但是中央?yún)^(qū)域的流速較大，周圍流速較小，流速差異較大。當導(dǎo)流墻的長度為0.50Lx時，水流的擴散作用較大，海漫上游兩側(cè)區(qū)域的流速大于中央?yún)^(qū)域的流速，最大流速約為5.7 m/s。當導(dǎo)流墻長度進一步增大，海漫區(qū)域的水流擴散有減小的趨勢，但是最大流速有所減小，整體流速分布較為均勻，平均流速也逐漸減小，對海漫的沖刷顯著減弱，滿足海漫的允許不沖流速要求。

可以發(fā)現(xiàn)，采用單孔泄流，導(dǎo)流墻對下游水流狀態(tài)的影響較小，海漫中的流速較大。采用開啟三孔的方式泄流，設(shè)置不同長度的導(dǎo)流墻時，導(dǎo)流墻對海漫中的水流狀態(tài)影響較大。當導(dǎo)流墻的長度等于消力池長度的1/2時，海漫中的流速較小，滿足不沖刷的要求，而且消力池中的水流狀態(tài)也較好。所以在選擇導(dǎo)流墻長度時，盡可能保證為消力池長度的一半。同時在水閘運行中，采用連續(xù)對稱開啟三孔的方式泄流，避免采用單孔泄流的方式，以保證消力池的消能效果。

3 結(jié) 論

本文研究了某多孔水閘結(jié)構(gòu)導(dǎo)流墻對下游水流狀態(tài)的影響，研究得出的結(jié)論如下：

(1)制作了水閘結(jié)構(gòu)模型，擬定了4種導(dǎo)流墻長度，對未設(shè)置導(dǎo)流墻和4種長度的導(dǎo)流墻進行模型試驗和數(shù)值模擬，泄流方式設(shè)置為開啟單孔和連續(xù)對稱開啟三孔，不同工況下模型試驗和數(shù)值模擬的結(jié)果相近，當導(dǎo)流墻長度為消力池長度的一半時，消力池的消能效果較好，而且消力池中的水流狀態(tài)也可以控制在合理的范圍內(nèi)。

(2)對幾種工況下海漫上部的水流狀態(tài)進行數(shù)值模擬，研究了海漫上部的流速變化，當采用連續(xù)對稱開啟三孔的泄流方式，導(dǎo)流墻長度等于消力池長度的1/2時，海漫中的流速較小，滿足不沖刷的要求。