閘門開啟過程中消力池的時空水力特性

李 楨，柳樹搖，李 紅

(1.四川水利職業(yè)技術學院，四川 成都 611231；2.四川省內江水利電力建筑勘察設計研究院有限公司，四川 內江 641000)

在水工建筑物中，閘門是用于控制水流最為常用的設施，一般閘門的開啟時間在幾分鐘到十幾分鐘之間，閘門開啟過程中閘門前后水流變化劇烈是典型的非恒定流動，閘門開啟的時段內閘下產(chǎn)生的沖坑深度，占一次放水過程產(chǎn)生沖坑深度的一半。閘門開啟過程中水力特性的變化特征對泄洪建筑物的安全運行非常重要。可見在閘門開啟過程非恒定水流是要引起足夠重視的。目前，這方面的研究主要結合具體工程進行縮尺模型試驗，閘門開啟時的非恒定水流與復雜的漩渦運動增加了試驗的難度。目前對于閘門開啟過程閘門前后的水力特性的研究主要采用數(shù)值模擬的方法[1-10]，而一些關于閘門啟閉過程中的試驗研究主要集中在對閘門受力的分析上[11-16]。張祖新等[17]對帶跌坎的消力池充水過程中的水力特性進行了試驗研究。畢竟閘門啟閉過程中水流運動與實際情況有一定的偏差，而目前對于低水頭重力壩閘門開啟過程中壩后消力池的水力特性研究少見報道，因此本文以典型的低水頭重力壩大石橋水電站為依托，對閘門開啟過程中消力池的水力特性時空變化規(guī)律進行模型試驗研究。

1 工程概況

大石橋水電站是一座具有農(nóng)業(yè)灌溉、縣城應急水源、場鎮(zhèn)供水及農(nóng)村人畜飲水等綜合效益的中型骨干水利工程。壩址位于重慶市潼南縣桂林街道高何村的古溪河矮子橋上游約600 m的果園處，距縣城約4.0 km，至重慶市約90 km。大石橋水電站由大壩樞紐、灌區(qū)建筑物和應急水源工程3部分組成。大壩樞紐河床寬度較為有限，布置擋水建筑物和泄水建筑物形式較為單一，灌區(qū)根據(jù)提水泵站及輸水管線的布置比選，確定選擇合并孟家寺和胡家垅2個泵站至南岸灘處，渠道大體走向沿用可研階段成果。大壩樞紐由擋水建筑物、泄水建筑物組成。擋水大壩為常態(tài)混凝土重力壩，最大壩高27.5 m，壩軸線長106.0 m，壩頂高程253.50 m，壩頂寬6.0 m，最大壩底寬29.73 m。正常蓄水位251.00 m，設計流量為1 110 m3/s。泄水建筑物為3孔有閘門控制的開敞式閘孔，每孔凈寬8.0 m，溢流堰采用WES實用堰，堰頂高程242.0 m，泄洪采用底流消能，消力池長40.0 m，池后設22.0 m長的護岸。樞紐布置平面布置見圖1。為驗證閘門開啟速率的合理性，確保泄洪建筑物安全運行，開展了水力學模型試驗。

圖1 大石橋水電站樞紐平面布置示意

2 試驗裝置與方法

物理試驗模型按照重力相似準則設計為正態(tài)模型，模型比尺為1∶25。原型閘門開啟速度為8.75 cm/s，開啟時長80 s；模型試驗中閘門開啟速度為1.75 cm/s，開啟時長為16 s。閘門的定速開啟通過可控微電機來實現(xiàn)，左右兩岸水面線由水位自動記錄儀測量。閘門開啟過程中，通過多點式旋槳流速儀測量消力池內流速的變化，通過測壓管測量底板的時均壓力，由泰斯特壓力傳感器來測量脈動壓力。

3 消力池水流流態(tài)時空變化

試驗模擬下游無水、上游水位為正常蓄水位251.00 m時，將3孔閘門同時勻速開啟直至敞泄狀態(tài)，試驗觀察了該閘門開啟過程中的消力池流態(tài)變化，如圖2所示。在閘門開啟20 s時，由于受到左右閘孔主流的擠壓，中閘孔主流水面有局部雍水現(xiàn)象，左右岸水位較低，三股主流交匯碰撞后向下游擴散，水面紊動強烈并伴隨有強烈摻氣現(xiàn)象；在閘門開啟40 s時，由于下泄量逐漸增大，左右閘孔主流對中閘孔主流的擠壓作用逐漸減弱，逐漸轉化為主流間的縱向剪切，水流向左右兩岸橫向擴散以及向下游縱向擴散，水面線橫向不均勻性減小；在閘門開啟60 s時，隨著下泄量繼續(xù)增加，消力池內的水位進一步增加，表面水位橫向差異性進一步減小，同時由于出閘水流左右兩側不對稱的突擴，在靠近閘門的左右兩側分別形成一定范圍的回流區(qū)，且由于左岸突擴較大因此回流區(qū)范圍也較大，此時消力池內水流主要是內部的紊動剪切，因此水面相對平穩(wěn)；在閘門開啟80 s時，閘門開啟結束，下泄量基本達到設計流量1 110 m3/s，此時消力池內的水流流態(tài)與閘門開啟60 s時相差不大，是典型的低水頭淹沒出流，左右兩側回流區(qū)范圍進一步增大，但水流旋轉速度減小，水面平穩(wěn)，由于下游水位的升高，消力池的出池水流與下游銜接較為平順。

圖2 消力池流態(tài)變化過程

試驗中同時觀測閘門開啟過程中壩下左右兩岸水面線的變化過程，如圖3所示。結果表明：閘門開啟過程中消力池內水流紊動劇烈，消力池內左右岸水面有受兩側回流影響波動劇烈，消力池內水位的縱向不均勻性要大于消力池下游，且隨著開啟時間的增加消力池水位的縱向不均性變小。由圖3可知，隨著下泄流量的增大，左右兩岸水面線高程均不斷增大，消力池出流水流與下游連接平順，水流分布均勻。左岸水面線略高于右岸，閘門開啟結束后，下游左岸的水面線高程范圍為247.4～248.32 m，下游右岸的水面線高程范圍為247.28～248.2 m。

圖3 左右岸水面線變化過程

圖4為閘門開啟過程中不同時刻左右岸水位差沿程變化。由圖4可知，消力池內左右岸水位差明顯大于消力池下游，消力池內水位差沿程增加，且在消力池末端即尾坎處出現(xiàn)最大值；消力池尾坎下游樁號0+65.0到樁號0+120.0，水位差呈現(xiàn)沿程波動式減小，這是因為低佛汝德數(shù)消力池由于消能不充分，出池水流包含大量紊動能，水面沿程波動，因此在工程上要做好消力池及下游一定距離內左右兩岸岸坡的防護。消力池下游樁號0+120.0以后水位差逐漸減小，水流逐漸趨于穩(wěn)定?？傮w來看，左右岸水位差隨著閘門的開啟以及下泄量的增加而減小。

圖4 左右岸水面線差值變化過程

4 消力池水內流速分布時空變化

試驗實測了開啟過程中不同時刻消力池臨底流速分布，如圖5所示。流速測點分別位于左中右3孔閘門中心線以及左右兩側突擴部分中心線(見圖1)。在閘門開啟20 s時，左岸最大流速為4.30 m/s，右岸最大流速為3.48 m/s；消力池臨底流速由于下游水位較高，形成淹沒水躍，臨底流速沿程減小，入池最大流速為10.06 m/s，消力池內最大流速為10.69 m/s，最小出池流速為4.74 m/s。隨著閘門逐漸開啟，下泄流量不斷增大，下游水面線不斷增高，消力池內臨底流速有所下降，流速分布逐漸均勻，但由于入池水流的佛汝德數(shù)越來越小，消力池對水流的消能率越來越低，出池水流流速有所增大。其中，在閘門開啟80 s(即水流敞泄)時，消力池內最大入池流速為8.92 m/s，消力池內最大流速為9.11 m/s，最小出池流速為5.00 m/s，消力池流速分布均勻左右兩岸岸邊流速較小，對河道岸坡的沖刷影響較小?？傮w來看，消力池閘孔主流臨底流速大于左右岸流速，且3個閘孔主流速速橫向差異性不大，左右兩岸流速相差也不太大。消力池前半段3個閘孔流速橫向與縱向差異性小于后半段，后半段由于受到下有水流的頂托，臨底流速沿程降低較快。

圖5 消力池內流速分布變化過程

5 消力池底板壓力時空變化

試驗實測了閘門開啟過程中消力池底板時均壓強值，由圖6可知，左側邊孔下泄水流流速較大，因此本試驗主要觀測左孔中心線上消力池底板的壓力變化過程。試驗中每個測點縱向間距為2.0 m，共設置19個測點。圖6為閘門開啟過程中消力池底板時均壓強值的變化過程，由圖6可知，在閘門開啟過程中，消力池底板壓強皆為正壓，在入池處時均壓強稍大，隨后沿程略有減小，在消力池后半段，時均壓強有所增加。隨著閘門的逐漸開啟，下泄流量的不斷增大，消力池內水位不斷增高，同一測點的時均壓強不斷增大，其中在閘門開啟80 s時，消力池底板壓強分布范圍為9.6×9.8～11.2×9.8 kPa。

圖6 消力池底板時均壓強變化過程

試驗同時觀測了閘門開啟過程中消力池底板脈動壓力的變化過程。圖7分別為1號(壩軸0+27.0)、6號(壩軸0+37.0)、11號(壩軸0+47.0)和17號(壩軸0+59.0)測點的脈動壓強時間曲線。開啟過程中，閘門開啟40 s前各測點脈動壓強較小，開啟40 s后脈動壓強逐漸增大，閘門開啟80 s后趨于穩(wěn)定，消力池后半段脈動壓強較大。消力池底板脈動壓強在閘門開啟過程中的分布范圍為2.25×9.8～13.02×9.8 kPa。消力池底板在閘門開啟過程中是安全的，說明閘門開啟速率設計合理。

圖7 消力池底板脈動壓強時間曲線

6 結 論

針對典型的低水頭重力壩閘門開啟問題，以大石橋水電站重力壩為例，采用比尺為1∶25的正態(tài)物理模型對低水頭重力壩閘門開啟過程中消力池的水力特性進行試驗研究，獲得了開啟過程中消力池流態(tài)、流速分布、底板壓力等參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。具體為：①閘門開啟過程中，消力池內流態(tài)良好與下游水面銜接平順，左岸水面線略高于右岸水面線；②閘門開啟過程中消力池內臨底流速分布較為均勻，左側流速略大于右側；③閘門開啟過程中消力池內底板壓強皆為正壓。試驗結果表明，消力池底板在閘門開啟過程中是安全的，說明原型閘門開啟速率設計合理。該物理模型試驗可為同類工程的設計與運行提供參考，所得結果可作為低水頭閘門開啟過程中消力池水力特性時空變化數(shù)值模擬的驗證。