閘后消力池二級(jí)消力坎設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化研究

歐陽(yáng)慶曉，譚宇靜

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

1 工程背景

某灌區(qū)渠首進(jìn)水閘為7孔開(kāi)敞式平底閘設(shè)計(jì)，閘門(mén)凈寬為8.0 m，總長(zhǎng)64.0 m，高12.5 m。由于多孔水閘在運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)工況往往并不一致，經(jīng)常出現(xiàn)部分孔小開(kāi)度開(kāi)啟的情況，并造成下瀉水流的流速較大，能量較為集中。若采用傳統(tǒng)的挖深式消力池，往往難以滿足消能要求，在出消力池后還會(huì)出現(xiàn)二次水躍，對(duì)閘后的河渠造成明顯的沖刷破壞[1]?；诖?，結(jié)合工程的實(shí)際情況以及相關(guān)研究成果，擬采用二級(jí)消力坎消力池設(shè)計(jì)方案[2]。顯然，池內(nèi)消力坎的參數(shù)設(shè)計(jì)也是消力池消能效果的重要影響因素。因此本次研究以模型試驗(yàn)的方式，展開(kāi)對(duì)二級(jí)消力坎參數(shù)的優(yōu)化研究，以期為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和借鑒。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了使模型試驗(yàn)的結(jié)果具有科學(xué)性和有效性，需要保證模型試驗(yàn)和原型工程具有幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似[3]。在模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般需要首先滿足幾何相似性，然后再滿足運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力相似[4]。在此次試驗(yàn)過(guò)程中，按照1∶100的模型比尺進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)，進(jìn)而滿足水流運(yùn)動(dòng)相似性。關(guān)于動(dòng)力相似，由于水流運(yùn)動(dòng)主要受到重力的作用，而其余影響因素的作用較為有限，因此只需滿足模型和原型的弗勞德數(shù)相等即可。基于上述思考，模型設(shè)計(jì)中的時(shí)間比尺為10；流速比尺為10；糙率比尺為2.15；流量比尺為105。

2.2 模型制作

試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿坑捎袡C(jī)玻璃制作，以滿足試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟诼室骩5]。同時(shí)，有機(jī)玻璃還具有表面硬度高、透光率高的特點(diǎn)，具有一定的材料優(yōu)勢(shì)。模型的模擬范圍自上游至下游主要由3部分構(gòu)成，分別為上游連接段、閘室段以及下游連接段。因此，模型的整體長(zhǎng)380 cm、寬64 cm，各孔閘門(mén)寬8 cm，閘下消力池長(zhǎng)19 cm，池深1 cm，其斜坡段的坡度為1∶4，模型的設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖1。試驗(yàn)的供水和回水系統(tǒng)主要由水箱、蓄水池、水泵、管道以及控制系統(tǒng)組成。試驗(yàn)中，水流經(jīng)過(guò)上游段流至消力池段和下游渠道段，并在慣性的作用下自由流入模型下游的蓄水池，然后用水泵將蓄水池內(nèi)的水流通過(guò)管道送至上游水箱，在充分消能之后流入模型上游，實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难h(huán)供水。在水箱的底部安裝有流量調(diào)節(jié)閥，滿足上游水位的控制要求。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾檬疽鈭D

2.3 數(shù)據(jù)采集

此次試驗(yàn)需要用到的儀器有GS-5光柵式水位儀、鋼尺和秒表等。其中，GS-5光柵式水位儀的主要功能是多點(diǎn)測(cè)量和記錄水位高度，測(cè)量誤差在0.2 mm以內(nèi)[6]。秒表主要用于測(cè)量水流時(shí)間；鋼尺主要用于測(cè)量急流段長(zhǎng)度和水深數(shù)據(jù)。由于閘下水流出流過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，在現(xiàn)有的試驗(yàn)條件下，對(duì)其過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量較為困難。因此，只能通過(guò)對(duì)多斷面水利要素的測(cè)量獲得其水流特點(diǎn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，開(kāi)啟中間孔閘門(mén)，閘門(mén)的開(kāi)度保持1 cm不變，觀察不同試驗(yàn)工況下的流態(tài)、測(cè)量急流段長(zhǎng)度、回流區(qū)范圍和流速，對(duì)不同的消力坎設(shè)置方案進(jìn)行對(duì)比，以獲取最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

2.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

顯然，消力坎的參數(shù)會(huì)對(duì)二級(jí)消力坎消力池的消能效果產(chǎn)生直接影響[7]。其中，二級(jí)消力坎的間距和坎高影響最為明顯[8]。因此，研究時(shí)保持原設(shè)計(jì)方案中的其余設(shè)計(jì)參數(shù)不變，將消力坎的間距和坎高作為主要設(shè)計(jì)變量。結(jié)合工程的實(shí)際情況和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)研究中設(shè)計(jì)11.0、13.0和15.0 cm共3種不同的消力坎間距，0.7、0.9和1.1 cm共3種不同的消力坎坎高進(jìn)行組合，并以無(wú)消力坎設(shè)計(jì)的消力池為對(duì)比工況，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。試驗(yàn)中，根據(jù)不同方案對(duì)消力池內(nèi)的兩道消力參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)成果，選擇出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 急流段長(zhǎng)度

在水閘的閘下消能設(shè)施中，存在較長(zhǎng)的急流段是十分不利的，這不僅不利于形成泄流設(shè)施中的良好流態(tài)，同時(shí)還會(huì)對(duì)下游海漫段造成比較嚴(yán)重的沖刷作用。一般來(lái)說(shuō)，急流段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)下游的沖刷破壞范圍越大、程度越深，越不利于工程運(yùn)行期間的安全穩(wěn)定。試驗(yàn)中，利用鋼尺對(duì)不同試驗(yàn)方案下的急流段長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同急流段長(zhǎng)度 /cm

由表2中的結(jié)果可以看出，各個(gè)方案的急流段長(zhǎng)度存在明顯的差異，因此消力坎的參數(shù)對(duì)急流段長(zhǎng)度存在較為顯著的影響。首先，在沒(méi)有設(shè)計(jì)消力坎的對(duì)比工況下，雖然表2中的記錄數(shù)據(jù)為89.0 cm，事實(shí)上急流段的長(zhǎng)度已經(jīng)超出模型的試驗(yàn)范圍，在模型的出口部位仍表現(xiàn)為急流狀態(tài)。由此可見(jiàn)，采用傳統(tǒng)的挖深式消力池并不能滿足消能要求。同時(shí)，方案1至方案9的急流段長(zhǎng)度明顯偏小，說(shuō)明采用二級(jí)消力坎設(shè)計(jì)可以大幅降低急流段長(zhǎng)度，減輕下游的沖刷。另一方面，從表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出，消力坎間距和坎高過(guò)大或者過(guò)小，都會(huì)造成急流段長(zhǎng)度的增加，不利于提高消能效果。試驗(yàn)方案5的急流段長(zhǎng)度最小，為19.4 cm，與工況2的23.5 cm相比減小約17.4%；與方案9的39.4 cm相比，減小約50.8%。由此可見(jiàn)，方案5控制急流段長(zhǎng)度的效果最佳，對(duì)于減輕下泄水對(duì)下游海漫段的沖刷較為有利。

3.2 回流區(qū)長(zhǎng)度

在多孔水閘部分孔小開(kāi)度開(kāi)啟的工況下，受到泄水流量集中的影響，主流區(qū)和兩側(cè)的水體形成比較明顯的紊動(dòng)剪切效應(yīng)，最終使靜水區(qū)演變?yōu)榛亓鲄^(qū)，而回流區(qū)又會(huì)對(duì)消力池中部的主流造成擠壓，對(duì)其橫向擴(kuò)散造成阻礙。因此，回流區(qū)長(zhǎng)度也是衡量消能效果的重要指標(biāo)。研究中，測(cè)量并統(tǒng)計(jì)出不同試驗(yàn)方案的回流區(qū)長(zhǎng)度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同方案回流區(qū)長(zhǎng)度 /cm

由表3中的結(jié)果可以看出，回流區(qū)的長(zhǎng)度變化規(guī)律與急流段類似。究其原因，主要是回流區(qū)由主流區(qū)和兩側(cè)水體的紊動(dòng)剪切效應(yīng)形成，因此回流區(qū)的長(zhǎng)度和范圍與急流段長(zhǎng)度存在明顯的相關(guān)性。總之，從回流區(qū)長(zhǎng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，二級(jí)消力坎設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的挖深式設(shè)計(jì)方案相比存在顯著的優(yōu)勢(shì)。從不同消力坎參數(shù)設(shè)計(jì)方案來(lái)看，方案5的優(yōu)勢(shì)比較明顯，對(duì)控制回流區(qū)的長(zhǎng)度最為有利。

3.3 斷面流速

試驗(yàn)中，對(duì)消力池段0+15、0+30和0+45這3個(gè)典型斷面的表層和底層流速進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制表層和底層流速的變化曲線，見(jiàn)圖2和圖3。

由圖2和圖3可知，與方案10相比，其余各方案的底層和表層流速值明顯偏小，說(shuō)明二道坎消力池在控制下泄水流速方面具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。從各個(gè)二道坎設(shè)計(jì)方案來(lái)看，二道坎的間距和坎高對(duì)表層水流的流速影響極為有限，對(duì)底層流速存在一定的影響。從具體的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，0+15、0+30斷面方案4的流速值最小，分別為3.57和3.38 cm/s；0+45斷面方案5的流速值最小，為1.98 cm/s，同時(shí)3個(gè)斷面方案4和方案5的流速值比較接近。

圖2 底層流速變化曲線

圖3 表層流速變化曲線

4 結(jié) 論

此次研究通過(guò)模型試驗(yàn)的方式，對(duì)閘下消力池二道坎消能工的消能效果和參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究，并獲得如下主要結(jié)論：

1) 設(shè)置二道坎方案和傳統(tǒng)的挖深式方案相比，急流段長(zhǎng)度、回流區(qū)長(zhǎng)度和流速值明顯減小，具有明顯的消能優(yōu)勢(shì)。

2) 從急流段長(zhǎng)度、回流區(qū)長(zhǎng)度試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，方案5為最佳方案；從流速試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，方案4和方案5較優(yōu)。

3) 綜合試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為方案5為最優(yōu)方案。建議工程設(shè)計(jì)中，二道坎的間距為13.0 m，坎高為0.9 m。