泄水閘的水力學(xué)模型試驗探討

王常紅 王廣祿

摘 要：樞紐的下泄水流特性及其對下游的消能防沖是一個普遍的水力學(xué)問題，目前主要通過斷面模型試驗進行模擬分析。通過對斷面模型的設(shè)計、制作、研究手段及不同閘門型式的總結(jié)、對比、分析，提出了此類斷面模型要解決的關(guān)鍵技術(shù)和目標(biāo)，對類似斷面模型試驗的開展具有借鑒和指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：閘門型式;水流特性;斷面模型

中圖分類號：TV61? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0156-02

目前許多在建樞紐地處峽谷河段，樞紐布置受地形條件的限制，需要通過試驗對其總體布置方案及泄流能力進行研究分析。不同型式的閘門其運行過程中的水流特性以及對下游的消能防沖是一個十分普遍的水力學(xué)問題，目前尚無成熟的理論方法解決這一問題，主要是通過水工斷面試驗進行模擬研究。

1泄水閘的閘門型式

水工閘門常用門型為平板閘門和弧形閘門。平板閘門是由平面直板、構(gòu)架、吊具等組成，閘門在門槽內(nèi)直升直降。平板閘門在很多水利樞紐工程中被作為主要的擋水、泄水結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝、運輸方便，投資小，管理、施工方便，且啟閉設(shè)備簡單，利于采用移動式啟閉機。平板閘門缺點：①平板閘門在大開度局部開啟時，存在閘門振動問題;②啟閉機的維護管理復(fù)雜，需設(shè)置較高的閘墩或工作橋;③平板閘門依靠門槽支承，閘門凹槽對水流存在不利的影響。

弧形閘門是擋水面為圓柱體的部分弧形面的閘門。其支臂的支承鉸位于圓心，啟閉時閘門繞支承鉸轉(zhuǎn)動?；⌒伍l門由轉(zhuǎn)動門體、埋設(shè)構(gòu)件及啟閉設(shè)備三部分組成。弧形閘門不設(shè)門槽，啟閉力較小，水力學(xué)條件好，是目前水閘建設(shè)中采用較多的門型之一。它具有閘門啟門力小、運行速度較快、操作靈活、運轉(zhuǎn)安全、外形優(yōu)美等優(yōu)點?；⌒伍l門可避免平面閘門不利的因素，弧形閘門適宜大孔口溢流，有利于閘門的靈活調(diào)度運用[1]。

泄洪建筑物的選擇一般結(jié)合壩址地形、地質(zhì)條件和水文特征、庫區(qū)淹沒控制等條件，綜合比較選擇。對于低堰大尺寸泄流孔口，常采用平面閘門或弧形閘門擋泄水，但閘門型式對泄水建筑物的尺寸有較大的影響，進而影響到整個樞紐建筑物的布置。不同型式的閘門，其下游水流特性不盡相同，需要通過試驗對各種工況進行模擬，綜合比選經(jīng)濟合理安全的方案。

2斷面試驗的設(shè)計與制作

斷面模型試驗中，首先要選擇合理的比尺。根據(jù)試驗的目的，研究泄水閘各種工況條件下其下泄水流的水力學(xué)特性，所選幾何比尺過小，模型水深、流速等水流參數(shù)指標(biāo)誤差就較大，無法達(dá)到試驗?zāi)康腫2]，而比尺過大，會出現(xiàn)模型的試驗場地及造價等問題。一般需根據(jù)試驗的要求，模型為正態(tài)模型，選用幾何比尺一般在20～50之間。

為了保證單寬流量下泄時水流的相似性，消除邊壁層流厚度對水槽中部流速的影響，提高試驗成果精度，通常采用兩半加一整（共計兩孔）設(shè)計方式。模型試驗在矩形玻璃水槽中進行，可以觀察試驗中的各種流態(tài)，按重力相似條件設(shè)計來確定模型各比尺。

量測儀器主要包括流量、流速、壓力和水位量測儀器。水槽進口流量由調(diào)節(jié)閥配合電磁流量計控制進口流量，誤差1%～3%;以點式三維流速儀測量垂向流速分布;閘室、消力池內(nèi)及閘下河床的流速由日本二維流速儀進行測量。泄水閘上、下游及閘板上安裝水位計，采用水位測針筒標(biāo)定后進行量測，用于觀測閘室及其上下游水面線。閘室內(nèi)及下游消力池安裝壓力管用于觀測泄水過程中的壓力變化。

3斷面試驗的內(nèi)容

以某工程為例，樞紐地處山區(qū)峽谷河段，河寬窄小，泄水閘泄洪能力往往無法滿足安全下泄設(shè)計洪水要求，導(dǎo)致其上游的淹沒損失比設(shè)計存在較大的差距，試驗可以解決的是樞紐在河道狹窄、山高谷深地勢條件下，泄水閘的泄洪能力及運行調(diào)度方式以及消能工的布置方案[3]。

首先進行設(shè)計方案下平板門及弧形門泄水閘泄流能力及消能工水工斷面試驗，對初步設(shè)計中提出的方案進行試驗，量測泄水閘各泄流工況下堰面及消力池沿程壓力和流速分布，量測不同開度、下游不同水位閘門泄流流態(tài)、確定不同泄流工況下的閘孔綜合流量系數(shù)，并驗證消能工平面布置、消力坎的消能效果并提出修改建議;針對設(shè)計方案存在的問題，開展方案優(yōu)化試驗研究，從堰型及消能結(jié)構(gòu)等方面進行優(yōu)化設(shè)計，最終使每孔泄水閘的泄水能力得到充分發(fā)揮，滿足設(shè)計的要求;最后從水力條件和消能效果，進行方案比選，從不同角度對比平板門和弧形門的試驗結(jié)果，提出合理的閘門型式、樞紐泄水閘泄洪運行調(diào)度方式及消能工布置方案，為依托工程設(shè)計提供技術(shù)支撐。

4斷面試驗的目標(biāo)

通過斷面模型試驗和總結(jié)研究，研究泄水閘泄洪能力、下游消能工的優(yōu)化布置及合理泄洪運行調(diào)度方式。確定閘門不同開度、不同下游水位時閘孔綜合流量系數(shù)、淹沒系數(shù)等，提出閘門開度、下游水位不同組合下下游單寬流量關(guān)系曲線;通過試驗對影響消能工的水力特性及消能機理的因素進行研究，最終能有效降低對消能設(shè)施的損壞。

5結(jié)語

在大型樞紐工程建設(shè)中，泄水建筑物過流能力、閘門型式、體型優(yōu)化及下游消能工的布設(shè)等方面在工程建設(shè)中都很重要，目前沒有成熟的理論方法完全進行模擬，通常是借助斷面物理模型試驗進行模擬，對模型的精度要求高。實踐證明，斷面模型試驗?zāi)軌蜉^好地模擬泄水閘的型式、水流特性及消能工的穩(wěn)定性，為工程設(shè)計提供依據(jù)。

參考文獻：

[1]虞松賓，龍益輝，周士虎等.廣西郁江老口航運樞紐工程泄水閘壩門型設(shè)計方案選擇[J].紅水河，2011，30（5）：39-42.

[2]SL 155—2012，水工（ 常規(guī)） 模型試驗規(guī)程[S].

[3]孟德臣，黎國森，邢順敬，等.葫蘆灣樞紐泄水閘泄流能力研究[J].水道港口，2010，31（ 4）：281-284.