斜交進(jìn)流條件下閘墩型式優(yōu)化試驗研究

肖繼德 陳斌 黃志文 歐陽志宇

收稿日期：

2023-06-26

基金項目：

國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFC3202603）；江西省水利廳科技項目（重大）（202124ZDKT18）

作者簡介：

肖繼德，男，高級工程師，主要研究方向為水利水電工程。E-mail：46775370@qq.com

通信作者：

陳? 斌，男，高級工程師，碩士，主要研究方向為水力學(xué)及河流動力學(xué)。E-mail：hhuchenb@163.com

引用格式：

肖繼德，陳斌，黃志文，等.斜交進(jìn)流條件下閘墩型式優(yōu)化試驗研究

［J］.水利水電快報，2024，45（1）：75-79.

摘要：

為改善象山水利樞紐部分泄水閘進(jìn)水口不良水流流態(tài)，提高樞紐泄流能力，利用物理模型試驗方法對泄水閘2區(qū)閘室邊墩墩頭型式進(jìn)行優(yōu)化，對比分析了5種墩頭型式方案下的優(yōu)化效果。研究結(jié)果表明：墩頭型式采用短軸為2倍閘墩寬度的黃金分割比（短軸/長軸=0.618）的1/4橢圓曲面，基本消除了間歇性渦流和回流現(xiàn)象，改善了進(jìn)閘水流流態(tài)，但對于堰流處于高淹沒度（hs/H0＞0.99）時的綜合流量系數(shù)μ0的改變幅度不大，基本在0.5%以內(nèi)，相應(yīng)的泄流能力提升幅度也并不顯著。研究成果可為類似工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：

閘墩型式優(yōu)化； 水流流態(tài)； 泄流能力； 綜合流量系數(shù)

中圖法分類號：TV662.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.013

文章編號：1006-0081（2024）01-0075-05

0? 引? 言

低水頭河床式閘壩樞紐是常見的水利樞紐，其堰型主要有WES型、折線型、駝峰型等實用堰及有坎（或無坎）寬頂堰。一般認(rèn)為，同等條件下寬頂堰的泄流能力最小，WES型實用堰泄流能力最大。在此類樞紐堰型選擇和設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能從提高低堰的泄流能力著手，其泄流能力直接決定了低水頭樞紐工程的建筑物布置形式和工程效益大?。?-2］。

對于低閘樞紐，其泄流能力除了受堰型結(jié)構(gòu)型式、水流側(cè)收縮等影響外，樞紐及樞紐中泄洪建筑物與非泄洪建筑物布置的相對位置也是重要因素，直接影響了閘壩軸線與河勢走向或水流方向的垂直情況［3］。從工程現(xiàn)場及水工模型試驗觀測中發(fā)現(xiàn)，若水閘樞紐布置不當(dāng)，則閘軸線與河勢走向不能完全正交，使閘室縱軸線與水流方向形成交角，容易引起樞紐上游來流出現(xiàn)較大的橫向流速和局部回流等不良流態(tài)，將導(dǎo)致有效過水?dāng)嗝娴臏p小，從而降低過流能力，嚴(yán)重的可能影響建筑物安全［4］。因此，從水流流態(tài)角度考慮，保證樞紐進(jìn)出水流平順，流線勻滑、無折沖、無回流、無漩渦可以降低水流側(cè)收縮的影響，提高樞紐泄流能力。對于如何改善樞紐建筑物進(jìn)口水流流態(tài)已有大量研究，例如，郭觀明等［5］通過采用直線圓弧組合型導(dǎo)墻可有效改善直線導(dǎo)墻形成的不利流態(tài)；杜妍平等［6］將溢洪道進(jìn)口引渠右導(dǎo)墻平面體型采用雙圓弧堤頭順應(yīng)進(jìn)流流向，后接橢圓+直墻型式，可使大流量泄洪時堤頭繞流現(xiàn)象明顯減輕，左右導(dǎo)墻進(jìn)流基本對稱；周元等［7］通過對導(dǎo)流明渠上下游導(dǎo)墻斷面進(jìn)行優(yōu)化，使導(dǎo)墻直立面實現(xiàn)明渠上游段與導(dǎo)流底孔閘門的平順連接，改善了進(jìn)口的水流形態(tài)；周蘇芬等［8］通過對溢洪道進(jìn)水口臨壩一側(cè)增設(shè)導(dǎo)墻，并對導(dǎo)墻型式和長度進(jìn)行優(yōu)化，顯著改善了水流流態(tài)和泄流能力；司徒小玲［9］通過在閘室前增設(shè)合適的導(dǎo)墻，改善了閘室水流流態(tài)；信瑞亮等［10］通過降低進(jìn)水口導(dǎo)墻長度和高度，降低攔沙坎高度，在閘墩前端迎水面采用流線型的圓弧面，可以有效減小流體阻力，顯著改善水流流態(tài)；劉曉平等［11］研究了樞紐導(dǎo)墻布置對電站進(jìn)水口水流流態(tài)影響，并通過適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)墻長度改善了進(jìn)水口水流流態(tài)，提高了過流能力；黃勇等［12］通過調(diào)整廠閘間上游導(dǎo)墻長度，改善了進(jìn)水口水流流態(tài)，減小了對泄流能力造成的不利影響。

以上學(xué)者通過對樞紐建筑物進(jìn)水口的導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化來改善水流流態(tài)，均突出了導(dǎo)墻調(diào)順?biāo)鞯闹匾裕鴮τ诓灰嗽鲈O(shè)導(dǎo)墻只通過對樞紐建筑物本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化從而達(dá)到改善水流流態(tài)的研究卻不多見。本文以贛江主支象山樞紐為研究對象，由于受到二區(qū)閘室邊墩門庫的影響，邊墩長度無法進(jìn)一步縮短，因此通過水工模型試驗對邊墩墩頭型式進(jìn)行優(yōu)化［13］，尋求合適的閘墩墩頭型式，盡可能消除或減弱墩頭左側(cè)渦流現(xiàn)象，使水流通過墩頭作用平順進(jìn)入閘室，同時消除閘室間歇性回流現(xiàn)象，提高閘壩泄流能力。

1? 工程概況

贛江主支象山樞紐位于新建區(qū)象山鎮(zhèn)，主體建筑物由泄水閘、船閘、魚道和連接擋水建筑物組成。泄水閘均為開敞式平底閘，堰型采用寬頂堰，沿河床布置共設(shè)17孔，由1區(qū)①～⑧號8孔30.0 m凈寬常規(guī)泄水閘、2區(qū)⑨～⑩號2孔75.0 m凈寬大孔閘和3區(qū)B11～B17號7孔30.0 m凈寬常規(guī)泄水閘組成。其中，2區(qū)閘室中墩厚12.0 m，邊墩厚17.0 m，兩邊墩壩軸線上游長度為94.8 m。樞紐校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇，校核洪水位19.54 m，相應(yīng)的洪峰流量為8 780 m3/s。樞紐整體布置見圖1。

2? 模型及試驗條件

2.1? 模型設(shè)計

依據(jù)SL 155-2012《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》，采用正態(tài)模型，按弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則設(shè)計［13］，根據(jù)試驗要求、原型樞紐水流特性，綜合考慮試驗場地、供水條件、量水設(shè)備及精度要求，選定模型幾何比尺為λl=100，其他水力要素相應(yīng)比尺如下：

流量比尺λQ=λ2.5l=100 000

流速比尺λu=λ12l=10

阻力重力比尺λn=λ16l=2.15

水流運動時間比尺λt=λ12l=10

模型制作范圍包括壩軸線上游約2 500 m，下游約3 500 m地形及泄水閘、船閘、連接擋水建筑物等。

2.2? 試驗條件

對校核和設(shè)計工況進(jìn)行了試驗，通過調(diào)整閘墩墩頭型式，達(dá)到改善進(jìn)閘水流流態(tài)和樞紐泄流能力的目的，試驗工況見表1。

3? 方案比選

3.1? 方案1

方案1為原設(shè)計方案，該方案二區(qū)閘室邊墩寬17.0 m，墩頭由兩半徑為25.0 m、圓心角為45°的圓弧組成，如圖2所示。

3.2? 方案2

將方案1中的墩頭改為斜坡，降低墩頭的阻水影響，外側(cè)圓弧線不變，方案2如圖3所示。

3.3? 方案3

將方案1的墩頭型式改為以閘墩寬度17.0 m為直徑的半圓弧，墩頭長度由原方案17.2 m縮短至8.5 m，優(yōu)化方案見圖4。

3.4? 方案4

將方案1的右側(cè)圓弧取消，左側(cè)圓弧延伸至閘墩右側(cè)直線位置，圓弧的圓心角由45°增大到71°，圓弧半徑不變，該方案墩頭長度由原方案的17.2 m，增長至22.1 m，優(yōu)化方案見圖5。

3.5? 方案5

將方案3的墩頭圓弧曲面作進(jìn)一步優(yōu)化，將墩頭圓弧面改為黃金分割比（短軸/長軸=0.618）的1/4橢圓曲面，其中，短軸為2倍閘墩寬度34.0 m，長軸為55.02 m，墩頭長度由22.1 m增長至27.2 m，優(yōu)化方案見圖6。

4? 試驗結(jié)果

4.1? 水流流態(tài)

（1） 方案1。受河道形態(tài)及樞紐布置等影響，閘軸線與河勢走向不正交，從而使閘室縱軸線與水流方向存在約40°的交角，同時受二區(qū)閘室邊墩上游長度較長的影響，水流流經(jīng)閘墩后在閘墩左側(cè)存在渦流現(xiàn)象，在⑦、⑧號閘室上游出現(xiàn)一定范圍的滯水區(qū)，滯水區(qū)內(nèi)水流流速較小或接近無流速，水流無法順暢進(jìn)入⑦、⑧號閘室，同時⑦、⑧號閘室出現(xiàn)間歇性的回流現(xiàn)象，水流間歇性從閘室下游流向閘室上游。渦流和回流的存在不僅影響閘壩安全，同時降低了閘壩泄流能力。方案1的水流流態(tài)見圖7。

（2） 方案2。優(yōu)化后墩頭左側(cè)渦流現(xiàn)象更加明顯，水流流經(jīng)閘墩后，滯水區(qū)范圍增大，1區(qū)⑦、⑧號閘室過流能力減弱，且依然存在回流現(xiàn)象。該方案中，閘墩墩頭的阻水影響從底部往上逐漸降低，雖然較原方案一定程度縮短了閘墩長度，但顯然該型式的墩頭斜面與圓弧之間所形成的棱角是加劇渦流現(xiàn)象的直接原因。

（3） 方案3。該方案墩頭左側(cè)的渦流現(xiàn)象較原方案有所加劇，墩頭型式與上游來水銜接不暢，滯水區(qū)范圍明顯增大，水流主要經(jīng)過⑦號及左側(cè)閘室流向下游，⑧號閘室過流能力較低；同時試驗還發(fā)現(xiàn)，水流經(jīng)過⑦號閘室后，部分水流流向下游，在⑧號閘室后形成明顯回流，并流經(jīng)⑧號閘室通向上游，該方案優(yōu)化效果較原方案差。

（4） 方案4。雖然該方案閘墩及墩頭左側(cè)還存在渦流現(xiàn)象，但較原方案明顯減弱，滯水區(qū)范圍有所減小，水流不能平順流向⑧號閘室，同時⑧號閘室及閘室下游局部存在間歇性的回流。

（5） 方案5。優(yōu)化后的墩頭左側(cè)渦流現(xiàn)象基本消失，閘墩左側(cè)只存在小范圍的輕微渦流現(xiàn)象，整體水流流態(tài)良好，水流經(jīng)過閘墩能較平順進(jìn)入閘室，且試驗中發(fā)現(xiàn)，⑦、⑧號閘室及附近區(qū)域基本不存在回流現(xiàn)象，優(yōu)化效果較好。

方案2～5水流流態(tài)見圖8，從各方案的水流流態(tài)可知，方案2斜坡型式的墩頭和方案3半圓弧型式的墩頭左側(cè)渦流現(xiàn)象均較方案1有所加劇，同時⑦、⑧號閘室依然存在回流現(xiàn)象，方案4的閘墩及墩頭左側(cè)雖然還存在渦流現(xiàn)象，但較方案1明顯減弱，⑦號閘室回流現(xiàn)象基本消失，⑧號閘室及閘室下游局部存在間歇性的回流現(xiàn)象，但程度有所減弱，方案5的墩頭左側(cè)渦流現(xiàn)象基本消失，閘墩左側(cè)只存在小范圍的輕微渦流現(xiàn)象，整體水流流態(tài)良好，且⑦、⑧號閘室的回流現(xiàn)象基本消失。

同時，方案2和方案3在⑦、⑧號閘室前的滯水區(qū)范圍較原方案明顯增大，水流主要從⑦號及左側(cè)閘室流向下游，⑧號閘室過流較少或基本不過流，方案4的滯水區(qū)范圍有所減小，部分水流可通過⑧號閘室流向下游，優(yōu)化方案5的滯水區(qū)基本消失，水流可順暢進(jìn)入⑧號閘室流向下游。

4.2? 泄流能力

對比了各方案下的校核洪水和設(shè)計洪水對應(yīng)的壩前水位，試驗結(jié)果見表2。校核洪水條件下，方案2和方案3壩前水位較方案1分別增大0.03 m和0.01 m，泄流能力有所減小，方案4和方案5壩前水位較方案1分別降低0.01 m和0.02 m，泄流能力有所增大；設(shè)計洪水條件下，方案2和方案3壩前水位較方案1分別增大0.02 m、0.01 m，泄流能力有所減小，方案4和方案5壩前水位較方案1分別降低0.01 m和0.02 m，泄流能力有所增大，但增減幅度不大，基本在0.02 m以內(nèi)。

由于樞紐泄洪時上下游水頭差較小，屬于高淹沒度堰流，其綜合流量系數(shù)可用公式μ0=0.877+（hs/H0－0.65）2計算。計算了校核洪水條件下各方案的綜合流量系數(shù)，從計算結(jié)果來看，各方案的綜合流量系數(shù)為0.994～0.997，變幅基本在0.5%以內(nèi)，這與上述泄流能力增減幅度不大的結(jié)論一致。因此對于淹沒度hs/H0＞0.99的堰流，閘墩優(yōu)化對于泄流能力的改善并不顯著，對樞紐綜合流量系數(shù)的影響也基本在0.5%以內(nèi)。

5? 結(jié)? 語

贛江主支象山樞紐閘軸線與河勢走向不完全正交，閘室軸線與水流方向存在交角，水流在閘墩影響下無法平順進(jìn)入閘室，通過物理模型試驗對樞紐二區(qū)泄水閘邊墩墩頭型式進(jìn)行優(yōu)化研究，從優(yōu)化試驗結(jié)果可知：① 將墩頭曲面型式改成黃金分割比（短軸/長軸=0.618）的1/4橢圓曲面（其中短軸為2倍閘墩寬度），基本解決了間歇性渦流、回流等不良水力現(xiàn)象；② 對于淹沒度hs/H0＞0.99的堰流，局部閘墩的優(yōu)化對于樞紐綜合流量系數(shù)μ0的改變幅度基本在0.5%以內(nèi)，對應(yīng)的泄流能力改善并不顯著。

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（編輯：唐湘茜）

Type optimization of gate pier under oblique alternating flow condition

XIAO Jide1，CHEN Bin2，HUANG Zhiwen2，OUYANG Zhiyu1

（1.Jiangxi Provincial Water Conservancy Investment Group Co.，Ltd.，Nanchang 330009，China；? 2.Jiangxi Provincial Technology Innovation Center for Ecological Water Engineering in Poyang Lake Basin，Jiangxi Academy of Water Science and Engineering，Nanchang 330029，China）

Abstract：

In order to improve the bad flow mode of the sluice inlet of Xiangshan Water Conservancy Project and improve the discharge capacity of the sluice，the physical model test method was used to optimize the pier head type of the second area side chamber of the drainage sluice，and analyze the optimization effect of five pier head types.The results showed that the pier head type adopted the 1/4 elliptical surface of the golden section ratio with short axis as 2 times the pier width （short axis / long axis =0.618），which basically eliminated the phenomenon of intermittent vortex and reflux and improved the water flow state of the sluice gate，but the change range of integrated flow coefficient μ0 which the weir flow was in high inundence （hs/H0＞0.99） was not large，basically within 0.5%，and the corresponding increase in the discharge capacity was not significant.The research results can provide a reference for similar engineering design．

Key words：

type optimization of gate pier； flow state； discharge capacity； comprehensive flow coefficient