低水頭水閘下游流態(tài)及消力池長度計(jì)算分析

黃智敏,陸漢柱,付 波,陳卓英

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635;2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

1 概述

低水頭水閘泄流的上、下游水位差較小，泄洪流量較大，其下游河道水位隨泄洪流量變化而改變。因此，水閘出流的下游流態(tài)較復(fù)雜[1-4]，給水閘下游底流消能的計(jì)算和分析帶來一定的困難。

低水頭水閘泄流的閘門運(yùn)行有兩種方式：① 在閘上游正常蓄水位(或在某一特征洪水位)條件下，閘門局部開啟控泄運(yùn)行(簡稱閘門局部開啟運(yùn)行)，此運(yùn)行工況的水閘上、下游水位差和出流弗氏數(shù)Fr1相對較大；② 閘門全開敞泄運(yùn)行(簡稱閘門全開運(yùn)行)時(shí)，水閘的上、下游水位差一般較小，泄洪流量較大，出流弗氏數(shù)Fr1相應(yīng)較小。在這兩種泄流運(yùn)行工況下，受水閘泄洪流量Q大小的影響，閘下游河床水深ht相應(yīng)產(chǎn)生變化[ht的變化可根據(jù)水閘消能設(shè)計(jì)的Zt～Q關(guān)系查出(注:Zt為閘址處下游河道水位)]，在同一泄洪流量Q的條件下，水閘出流的躍后水深h2與其下游河床水深ht的關(guān)系，會(huì)影響水閘下游的流態(tài)(如水躍形態(tài)、波狀流等)和消力池長度計(jì)算結(jié)果等。

本文在分析低水頭水閘閘門局部開啟和閘門全開運(yùn)行下游流態(tài)的基礎(chǔ)上，并綜合以往的有關(guān)研究成果，對水閘下游消力池長度的計(jì)算方法進(jìn)行分析，供工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行參考。

2 水閘下游消力池長度計(jì)算公式

根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]，水閘下游消力池體形和水力參數(shù)示意見圖1。

圖1 水閘下游消力池體形和水力參數(shù)示意

閘下游收縮斷面水深h1：

(1)

閘下游躍后(共軛)水深h2：

(2)

水躍長度Lj:

Lj=6.9(h2-h1)

(3)

消力池長度Lsj:

Lsj=Ls+βLj

(4)

由公式(3)分析可知，該式為自由水躍長度的計(jì)算公式(公式適用范圍為Fr1=5.5～9.0)。由于受水閘下游河道水位變化和邊界條件等影響，閘下游水躍形態(tài)和流態(tài)較復(fù)雜(如自由水躍、淹沒水躍、波狀明渠流等)，因此，只有正確地分析水閘下游流態(tài)之后，才能較準(zhǔn)確地計(jì)算其下游消力池長度。

3 閘門局部開啟出流流態(tài)分析

3.1 正常蓄水位的閘門局部開啟出流

水閘上游正常蓄水位是綜合考慮水閘發(fā)電、灌溉、供水、航運(yùn)、上游淹沒損失等確定的，閘上游正常蓄水位確定之后，在滿足發(fā)電運(yùn)行等條件下，閘上游來流多余的水量由水閘閘門局部開啟排向閘下游河道。通常水閘上游正常蓄水位閘門局部開啟泄流的上、下游水位差和出流弗氏數(shù)Fr1相對較大，閘下游易形成較完整的水躍。

在閘門局部開啟泄流條件下，根據(jù)閘下游收縮斷面水深h1的共軛水深h2與下游河床水深ht的關(guān)系，可分為自由出流和淹沒出流[7]：當(dāng)h2≥ht時(shí)，閘孔為自由出流；h2

圖2 水閘閘門局部開啟運(yùn)行下游流態(tài)示意

參考文獻(xiàn)[7-8]，對閘門局部開啟泄流的下游流態(tài)進(jìn)行分析：

1)h2>ht時(shí)，閘下游產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，閘下游有一段急流段，對閘下游消能防沖極為不利。h2=ht時(shí)，水躍躍前發(fā)生在閘下游水流收縮斷面處，稱為臨界式水躍，這種水躍是不穩(wěn)定的。此2種水躍稱為自由水躍。

2)h2

3.2 特征洪水位的閘門局部開啟出流

在某一特征洪水位(如設(shè)計(jì)洪水頻率、校核洪水頻率等)條件下，為了確保樞紐工程和其下游河道行洪的安全，需采用保持閘上游為特定的洪水位、閘門局部開啟控泄某一限制流量的運(yùn)行方式。此運(yùn)行工況的水閘上、下游水位差仍較大，閘下游產(chǎn)生穩(wěn)定的水躍，是水閘下游消力池長度計(jì)算和選取的決定性工況。

如韓江高陂水利樞紐泄水閘在設(shè)計(jì)洪水頻率(P=1%)和校核洪水頻率(P=0.1%)流量泄洪時(shí)，為了確保樞紐工程安全和下游河道行洪安全，樞紐按不大于相應(yīng)天然最大洪峰流量控泄，在控制閘上游水位Z=47.44 m條件下，泄水閘仍采用閘門局部開啟運(yùn)行方式控泄。因此，該泄水閘下游消力池長度按閘孔控泄情況下的最大泄洪流量確定[9]。

4 閘門全開泄流出流流態(tài)分析

閘門全開泄流運(yùn)行時(shí)，低水頭水閘的過閘水位差一般較小。文獻(xiàn)[5]指出，計(jì)算閘孔總凈寬時(shí)，平原區(qū)水閘的過閘水位差可采用0.1～0.3 m，山區(qū)、丘陵區(qū)水閘的過閘水位差可適當(dāng)加大。因此，為了減小水閘上游的壅水和淹沒損失，應(yīng)盡量增大水閘閘孔的總凈寬。

在閘門全開運(yùn)行泄流條件下，根據(jù)以閘室堰頂為基準(zhǔn)的下游河床水深hs與閘室堰頂上游水深H的關(guān)系hs/H，可分為自由出流和淹沒出流[10]：當(dāng)hs/H<0.8時(shí)，水閘出流為自由出流；hs/H≥0.8時(shí)，水閘出流為淹沒出流 (見圖1)。

文獻(xiàn)[11]通過大量的水力模型試驗(yàn)研究，在水閘閘門全開、宣泄最大洪水流量Qm運(yùn)行工況下，得出以下的成果：① 若hs/H<0.8，此時(shí)水閘出流為自由出流，閘下游消力池池長隨泄洪流量Q增大而增加，應(yīng)采用Qm計(jì)算消力池長度，并與正常蓄水位、閘門局部開啟控泄運(yùn)行工況的消力池長度進(jìn)行比較后確定；② 若hs/H≥0.8，水閘出流為淹沒出流，閘下游的躍長較短或無水躍(波狀明渠流)，此工況應(yīng)采用水閘上游正常蓄水位、閘門局部開啟最大開度em的泄量計(jì)算和選取消力池長度。

5 水閘下消力池長度計(jì)算分析

通常根據(jù)水閘泄流水力參數(shù)和河床條件等，一般可先計(jì)算和確定下游消力池末端尾坎頂高程、池深等，再計(jì)算和選取消力池長度[11]。消力池末端尾坎頂高程和池深的計(jì)算和確定的方法為：① 水閘下游應(yīng)產(chǎn)生有一定淹沒程度的水躍；② 在各級洪水流量泄流運(yùn)行時(shí)，池末端尾坎斷面出流流速小于下游海漫段材料的允許抗沖流速。

由公式(3)分析可知，閘下游的水躍長度Lj與躍后水深h2和躍前水深h1之差(h2-h1)有關(guān)，而按理論計(jì)算的(h2-h1) 隨水閘泄洪流量Q增加而增大，因此，若不加分析水閘的閘門運(yùn)行情況和閘下游流態(tài)，盲目地采用水閘泄洪最大流量Qm計(jì)算閘下游消力池池長，就會(huì)造成池長明顯偏大和工程投資的浪費(fèi)。

綜合有關(guān)的研究成果[11]和本文研究成果，在閘門局部開啟運(yùn)行和閘門全開運(yùn)行的兩種運(yùn)行工況下，低水頭水閘下游消力池長度計(jì)算和選取的方法如下。

1)在各級洪水流量或水閘最大泄洪流量Qm、閘門為局部開啟控泄運(yùn)行的條件下，應(yīng)采用Qm計(jì)算和選取水閘下游消力池長度。

2)在水閘最大泄洪流量Qm、閘門為全開運(yùn)行時(shí)，若hs/H<0.8(水閘為自由出流)，應(yīng)采用Qm計(jì)算水閘下游消力池長度，并與正常蓄水位、閘門局部開啟控泄運(yùn)行工況的消力池長度進(jìn)行比較后確定。

3)在水閘最大泄洪流量Qm、閘門為全開運(yùn)行時(shí)，若hs/H≥0.8(水閘為淹沒出流)，閘下游躍長較短或無水躍(波狀明渠流)，應(yīng)采用水閘上游正常蓄水位、閘門局部開啟最大開度em的泄量計(jì)算和選取消力池長度。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的成果，本條款計(jì)算方法應(yīng)注意：① 計(jì)算公式(4) 的水躍長度校正系數(shù)β取1.0；② 計(jì)算中，對應(yīng)閘門開度e運(yùn)行的下游河道水位Z為低一級閘門開度泄量對應(yīng)的下游河道水位；③ 為了便于正常蓄水位、閘門局部開啟運(yùn)行的下游消力池長度的計(jì)算和選取，可根據(jù)各級閘門開度e分別計(jì)算出下游消力池長度(各級開度e運(yùn)行的Z為低一級閘門開度泄量對應(yīng)的下游河道水位，且β取1.0)，選取計(jì)算的最大值為消力池長度。

如西溪水閘重建工程項(xiàng)目的攔河水閘共設(shè)14 孔，單孔閘凈寬為10 m，總凈寬為140 m。閘室堰頂高程為-5.20 m，堰頂未端以1:4坡度與下游消力池相接；設(shè)計(jì)方案的消力池水平段池長為19.2 m、池底高程為-5.70 m，池末尾坎頂高程為-5.20 m；尾坎末端接1:40 坡度的斜坡海漫(見圖3)。攔河水閘正常蓄水位為0.35 m，設(shè)計(jì)洪水頻率泄流量為2 171 m3/s(P=3.33%)，校核洪水頻率泄流量為3 232 m3/s(P=1%)。

水力模型試驗(yàn)的成果為[12]：① 在水閘正常蓄水位(Z=0.35 m)、閘門局部開啟運(yùn)行條件下，水閘下游收縮斷面弗氏數(shù)Fr1約為8.2～3.9，水閘下游為穩(wěn)定的水躍，測試的各級閘門開度e的閘下游水躍躍尾樁號見表1；② 在閘門全開的各級洪水流量(Q>892 m3/s)泄流運(yùn)行時(shí)，閘下游無水躍、呈波狀明渠流。

根據(jù)水力模型試驗(yàn)研究成果，西溪水閘重建工程推薦方案的下游消力池池長維持設(shè)計(jì)方案的池長不變，試驗(yàn)研究成果得到了工程設(shè)計(jì)的采用。

圖3 西溪水閘下游消力池剖面示意(單位：m)

表1 西溪水閘閘門局部開啟運(yùn)行的下游水躍躍尾樁號

6 結(jié)語

在綜合分析低水頭水閘閘門局部開啟運(yùn)行和閘門全開運(yùn)行的下游流態(tài)的基礎(chǔ)上，提出了水閘下游消力池長度的計(jì)算方法，該計(jì)算方法包括了水閘以下的3種閘門開啟運(yùn)行方式：

1)水閘各級洪水流量或最大泄洪流量Qm，閘門仍為局部開啟控泄運(yùn)行；

2)水閘最大泄洪流量Qm、閘門全開的hs/H<0.8(水閘為自由出流) 運(yùn)行；

3)水閘最大泄洪流量Qm、閘門全開的hs/H≥0.8(水閘為淹沒出流) 運(yùn)行。

上述3種閘門開啟運(yùn)行方式基本包括了低水頭水閘泄流運(yùn)行方式，計(jì)算方法基本涵蓋了低水頭水閘下游消力池長度的計(jì)算。本文研究成果可為低水頭水閘工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供重要的參考作用。