泗陽節(jié)制閘水力學(xué)模型試驗(yàn)研究

呂曉波，張小童，王 亮

（江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 工程概況

泗陽節(jié)制閘建于上世紀(jì)60年代，位于泗陽縣城東南約2.0 km處的京杭運(yùn)河上。工程等別為Ⅱ等，主要建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為2級(jí)，水閘共布置17孔，每孔凈寬4 m，孔高6 m。閘底板高程12.0 m，設(shè)計(jì)流量1000 m3/s，是中運(yùn)河段梯級(jí)控制之一。經(jīng)過50余年運(yùn)行，雖然經(jīng)多次加固處理，但仍存在嚴(yán)重安全隱患，進(jìn)行拆除重建。

新建泗陽節(jié)制閘位于老閘下游約50 m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1000 m3/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。新建泗陽節(jié)制閘共7孔，單孔凈寬10 m，采用新型圓角梯形堰，堰頂高程11.5 m，上游堰高3.0 m，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20 m。斷面模型選取2孔閘寬進(jìn)行模擬，上游模擬至閘前約130 m處，下游模擬至閘下約150 m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±2 mm，建筑物尺寸控制精度±0.3 mm，安裝高程誤差小于±0.3 mm。制作完成的模型見圖1。

圖1 斷面模型

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、水泵房、平水塔、供水管及回水槽等組成。蓄水庫容積2000 m3，平水塔容積200 m3，塔內(nèi)設(shè)置平水設(shè)施。模型中各水力參數(shù)由211工程三期升級(jí)改造的水工混合模擬系統(tǒng)進(jìn)行控制和量測(cè)，該混合模擬系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)模型供水流量、64點(diǎn)流速、32點(diǎn)水位以及8個(gè)口門進(jìn)行同步實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量及控制。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0.2 mm。

（2）水位、水面線測(cè)量

庫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0.1 mm。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0.025 m/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，并按下式計(jì)算：

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

圖2 堰流綜合流量系數(shù)與相對(duì)淹沒度關(guān)系曲線

從圖2可看出，節(jié)制閘閘門全開運(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)的流量系數(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)。

自由孔流流量按下式進(jìn)行計(jì)算[3]：

式中：μ為自由孔流流量系數(shù)；B為2閘孔凈寬（2×4.0=8.0m）；e為閘門開啟高度，m；H為堰頂以上水頭，m。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，μ與e/H有良好的相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪于圖3，為了使用方便，擬合成以下公式：

圖3 自由孔流流量系數(shù)與關(guān)系曲線

淹沒孔流流量按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：CS為淹沒孔流流量系數(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4）。利用回歸分析可以得到：

圖4 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1000 m3/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，圖5、圖6分別為校核、設(shè)計(jì)工況時(shí)水閘上下游的水流流態(tài)。

圖5 校核洪水閘上、下游水流流態(tài)

圖6 設(shè)計(jì)洪水閘下水流流態(tài)

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)，閘下消力池能形成內(nèi)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（見圖7）。

圖7 自由、淹沒堰流閘下水流流態(tài)

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（圖8）。

圖8 自由孔流閘下水流流態(tài)

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。

3.1 節(jié)制閘上下游流速分布

典型計(jì)算工況下節(jié)制閘上下游水流流速分布見圖9～圖13。

圖9 節(jié)制閘上下游水流流態(tài)（校核工況）

圖10 節(jié)制閘上下游水流流態(tài)（設(shè)計(jì)工況）

圖11 閘門相對(duì)開度0.75時(shí)水閘上下游水流流態(tài)（設(shè)計(jì)洪水位）

圖12 閘門相對(duì)開度0.50時(shí)水閘上下游水流流態(tài)（設(shè)計(jì)洪水位）

圖13 閘門相對(duì)開度0.25時(shí)水閘上下游水流流態(tài)（設(shè)計(jì)洪水位）

3.2 節(jié)制閘上下游流速等值線圖

各計(jì)算工況下節(jié)制閘上下游水流流速等值線見圖14～圖17。

圖14 水閘上下游水流流速等值線圖（設(shè)計(jì)工況）

圖15 閘門開度0.75時(shí)水閘上下游水流流速等值線圖（設(shè)計(jì)洪水位）

圖16 閘門開度0.5時(shí)水閘上下游水流流速等值線圖（設(shè)計(jì)洪水位）

圖17 閘門開度0.25時(shí)水閘上下游水流流速等值線圖（設(shè)計(jì)洪水位）

3.3 節(jié)制閘上下游水面線

圖18～圖22給出了各計(jì)算工況下節(jié)制閘上下游水流水面線變化情況。

圖18 水閘上下游水位圖（設(shè)計(jì)工況）

圖19 水閘上下游水位圖（校核工況）

圖20 閘門相對(duì)開度0.75時(shí)水閘上下游水位圖（設(shè)計(jì)洪水位）

圖21 閘門相對(duì)開度0.5時(shí)水閘上下游水位圖（設(shè)計(jì)洪水位）

圖22 閘門相對(duì)開度0.25時(shí)水閘上下游水位圖（設(shè)計(jì)洪水位）

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。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)。