杜家臺分洪口閘室消能防沖刷控制方法研究

吳佳倫

（湖北省漢江河道管理局杜家臺分洪閘管理分局，湖北 仙桃 433000）

引 言

消能是指在水利工程或泄水構(gòu)筑物的建設(shè)過程中，為降低或防止由于上游水流對下游建筑物、河渠等造成的沖刷破壞問題，從而采取的消耗水流攜帶沖刷能量、分散水體向下沖擊力而采取的控制措施。由于閘室前后水位高程不等，水閘上、下游落差會將水體的勢能大量轉(zhuǎn)化為動能，導(dǎo)致過閘的水流流速大大提高，從而對下游河床及兩岸產(chǎn)生嚴(yán)重的機械沖刷和側(cè)向侵蝕，特別是底部沖刷引起的溯源侵蝕，更會使沖刷范圍從下游不斷后退到達閘室地基，進而造成水閘空懸甚至發(fā)生崩塌，危及水利工程或分洪口的安全[1]。因此，在水閘閘室的設(shè)計方案中加入控制下的消能防沖刷技術(shù)與措施，對于確保水利樞紐的工程安全至關(guān)重要。

根據(jù)現(xiàn)階段相關(guān)工作的實施進展可知，目前的設(shè)計成果還不能在水閘工程中發(fā)揮更好的作用，所采取的措施對消能防沖刷控制效果較差[2]。同時，在此相關(guān)工作的研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的消能防沖刷控制的設(shè)計成果較少，盡管相關(guān)消能防沖刷控制的物理模型與觀測模型已基本建成，但只適用于某地區(qū)特定的水閘工程，并不適合在更大范圍的水利工程領(lǐng)域推廣使用。為進一步深化消能防沖刷控制效果，本文以杜家臺分洪口閘室為例，設(shè)計一種全新的消能防沖刷控制方法，保證下游水力設(shè)計的合理規(guī)范。

1 閘室消能防沖刷控制目標(biāo)函數(shù)設(shè)計

目前，閘室消能防沖刷采用的技術(shù)措施主要包括底流消能、挑流消能以及面流消能。就具體水利工程而言，適用的技術(shù)方案選擇主要取決于過閘的水流流量、上下游水位差、水利工程工況條件以及工程地質(zhì)狀況等因素。閘室消能防沖刷的計算是水閘工程設(shè)計中的一項重要環(huán)節(jié)，其中消力池、海漫段及防沖刷槽等消能防沖刷設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸都必須經(jīng)過嚴(yán)格計算才能確定。

為實現(xiàn)對杜家臺分洪口閘室消能防沖刷的控制，需要從計算水位組合的選取、河道不沖流速以及允許流量的計算、閘門開度及過閘流量的確定、消能防沖刷計算過程、消能防沖刷設(shè)施布置等方面進行控制。通過引進紊流模型，利用紊流模型中的雷諾時均法，建立控制目標(biāo)函數(shù)[3]，對水閘工程消能防沖刷設(shè)施進行設(shè)計。在此過程中，根據(jù)杜家臺分洪口閘室運行工況，建立上游水體連續(xù)方程（1）與動量方程（2），方程表達式如下：

式中 ν——紊流黏性系數(shù)；

j——張量。

上述計算公式中，i 的取值為正整數(shù)，包括1，2，3等。在上述設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，建立杜家臺分洪口閘室水面模擬模型，模型需要參照VOF 模型構(gòu)建[4]。在此模型中，假設(shè)水流中單相流呈現(xiàn)相同狀態(tài)，此時造成水流出現(xiàn)流速差的主要原因是流體密度與分子黏性系數(shù)差異。因此，可以根據(jù)流體的體積分數(shù)，通過對流體體積的加權(quán)平均計算，得到流體密度的體積分數(shù)函數(shù)[5]。函數(shù)表達式如下：

式中 α——水體的體積分數(shù)；

ρ1——水體密度；

ρ2——空氣密度。

在上述設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將流體流速作為杜家臺分洪口閘室消能防沖刷控制目標(biāo)，根據(jù)閘室中間段的支孔數(shù)量及其空間幾何尺寸參數(shù)，建立閘室三維結(jié)構(gòu)模型[6]。同時，使用六面圖與五面體網(wǎng)格劃分成三維結(jié)構(gòu)模型，分為若干個網(wǎng)格區(qū)域，再將杜家臺分洪口閘室消能防沖刷控制工作作為單元控制目標(biāo)，建立如下計算公式所示的目標(biāo)函數(shù)。函數(shù)表達式如下：

式中 f（ν）——杜家臺分洪口閘室消能防沖刷流速目標(biāo)；

C——微分方程；

μ——有限容積法；

k——單元控制目標(biāo)；

ε——網(wǎng)格區(qū)域。

按照上述方法，完成杜家臺分洪口閘室消能防沖刷控制目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計。

2 設(shè)計消力池控制條件

在上述設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將杜家臺分洪口閘室消能防沖刷消力池作為目標(biāo)函數(shù)的約束條件，通過設(shè)計控制條件以明確函數(shù)的約束方式。根據(jù)杜家臺分洪口閘室中閘孔寬度，參照閘孔凈孔寬度與閘室的分布，掌握閘室中總孔數(shù)[7]。判定并識別杜家臺分洪口閘室的下游段是否需要在運行中布置消能裝置和并確定消能裝置的布置數(shù)量。如果明確分洪口閘室需要布置消力池作為消能裝置，可以根據(jù)消能控制情況設(shè)計閘道的交合水位[8]。同時，將設(shè)計水位作為分洪口閘室閘門全開時泄洪水位，當(dāng)出現(xiàn)淹沒出流情況時，定義此時為無需消能情況?？紤]到杜家臺分洪口閘室在正常使用條件下，上游水位為河道的最高蓄水位，只有閘門出現(xiàn)局部開啟行為時才會出現(xiàn)閘門水流流速過大的問題，從而造成較為嚴(yán)重的河床沖刷現(xiàn)象。將出現(xiàn)此種現(xiàn)象作為前提條件，在杜家臺分洪口閘室對應(yīng)布置消能設(shè)施，設(shè)計消能設(shè)施的約束條件，約束條件表達式如下：

式中 h1——分洪口閘室水流躍后水深（m）；

h2——分洪口閘室水流收縮水深（m）；

E0——杜家臺分洪口閘室上游水流總體勢能（J）；

q——水流過閘時，單閘最大流量[m3/（s·m）]；

φ——水流流速控制系數(shù)，通常情況下，φ 的取值為常數(shù)，此次計算中，取值φ 為0.85；

g——重力加速度（m/s2）。

按照上述方式，完成對杜家臺分洪口閘室消能防沖刷控制中消力池控制條件的設(shè)計。

3 分洪口閘室消能防沖刷控制量計算

完成上述設(shè)計后，在操作終端創(chuàng)建控制驅(qū)動程序，通過對分洪口閘室消能防沖刷控制量的計算，實現(xiàn)對消能防沖刷的控制。在操作終端界面中創(chuàng)建一個窗口，在此窗口中創(chuàng)建并設(shè)置4 個驅(qū)動程序指令，其中程序1 為參數(shù)輸入程序；程序2 為分洪口閘室孔口設(shè)計程序；程序3 為消能控制實時情況反饋程序；程序4 為閘口收縮斷面水面試算程序。在此過程中，在程序1 中輸入現(xiàn)有與分洪口閘室相關(guān)的參數(shù)條件，輸入?yún)?shù)條件應(yīng)該包括：設(shè)計過閘流量、底板高程、單孔閘寬、流速系數(shù)、水流動能校正系數(shù)、消力池底寬數(shù)、邊坡系數(shù)以及重力加速度系數(shù)。參照《水閘設(shè)計規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)要求，明確水流動能校正系數(shù)取值為正數(shù)，設(shè)定此系數(shù)的取值在1.05～1.10 之間，根據(jù)程序3 反饋的數(shù)據(jù)計算出泄洪流的控制量，計算公式如下：

式中 Q——泄洪流控制量；

χ——開啟度；

γ′——閘門垂直收縮系數(shù)；

b——杜家臺分洪口閘室中閘門寬度；

H0——閘室可開啟孔數(shù)。

根據(jù)計算的控制量，驅(qū)動程序4 控制分洪口閘室消能防沖刷行為，一旦上游出現(xiàn)泄洪行為，可以根據(jù)程序3 反饋的實時水位數(shù)據(jù)，立即驅(qū)動控制行為。按照上述方式，完成控制方法的設(shè)計，杜家臺分洪口閘室消能防沖刷計算成果見表1。

表1 杜家臺分洪口閘室消能防沖刷計算結(jié)果

4 實例應(yīng)用分析

上文完成了分洪口閘室消能防沖刷控制方法的設(shè)計，為實現(xiàn)對此方法在實際應(yīng)用中效果的校驗，下面以杜家臺分洪口閘室為例，通過實例應(yīng)用的方式，檢驗本文設(shè)計控制方法的有效性。為確?？刂乒ぷ鞯囊?guī)范化實施，在開展相關(guān)研究前，應(yīng)先采用現(xiàn)場勘察的方式，搜集并匯總杜家臺分洪口閘室基本運行情況。本次研究的閘室為開敞式泄洪閘，根據(jù)其建設(shè)工程信息，統(tǒng)計泄洪閘概況。相關(guān)內(nèi)容見表2。

表2 杜家臺分洪口閘室運行基本概況

掌握杜家臺分洪口閘室的基本情況后，使用本文設(shè)計方法啟動控制閘室消能防沖刷行為。控制過程中，根據(jù)閘室設(shè)計運行條件設(shè)定分洪口閘室消能防沖刷控制的目標(biāo)函數(shù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計消力池控制條件，通過對分洪口閘室消能防沖刷控制量的計算，實現(xiàn)對分洪口閘室消能防沖刷的控制。完成控制后，計算杜家臺分洪口閘室消能防沖刷各個斷面的流速，將其與下游閘道水流流速進行對比，檢驗杜家臺分洪口閘室消能防沖刷控制效果。見圖1。

圖1 杜家臺分洪口閘室消能防沖刷水體流速控制效果

圖1 中：（1）表示下游水體流速；（2）～（4）表示杜家臺分洪口閘室消能防沖刷各個斷面水體的流速。從圖1 所示的結(jié)果可以看出，下游水體流速穩(wěn)定在（1～3）m/s 范圍內(nèi)，上游水體經(jīng)過消能防沖刷控制后，流速明顯快速下降，并在12 s 后穩(wěn)定在3 m/s 范圍內(nèi)，即設(shè)計的方法實現(xiàn)了對上游水流流速的有效控制。在此基礎(chǔ)上，按照下述公式，計算消能控制后的水流動能：

式中 e——消能控制后水流動能；

V——水流流速；

g——重力加速度，計算中g(shù) 的取值為常數(shù)。

最后統(tǒng)計3 個斷面的水流動能變化情況，其結(jié)果見圖2。

圖2 斷面動能變化趨勢圖

5 結(jié) 語

文章通過設(shè)計杜家臺分洪口閘室消能防沖刷控制目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計消力池控制條件、分洪口閘室消能防沖刷控制量計算，完成分洪口閘室消能防沖刷控制方法的設(shè)計。該方法在通過實踐檢驗后證明具有實際應(yīng)用價值，利用此方法可以實現(xiàn)對上游水流流速與攜帶動能的有效控制。