某泄洪閘溢流堰消能結構優化方案淺析

朱 江

（伊犁哈薩克自治州喀什河流域管理處，新疆 伊寧 835000）

1 工程概況

為應對黃河凌汛災害，內蒙古自治區在沿黃凌汛災害比較嚴重的河段規劃興建防凌分洪區6處，烏蘭布和分洪區就是上述6個分洪區之一[1]。分洪閘是分洪區建設的重要節點性工程，當凌汛來臨時，分洪閘開閘分洪，將凌汛洪水放入分洪區，以降低黃河凌汛期的洪水壓力，在凌汛結束后，再分洪區內的水回退至黃河，以保證黃河的水量[2]。該分洪閘共設置單孔凈寬為6.0 m的7孔溢洪道，溢流控制段采用實用堰性，閘室長16.10 m，寬35.60 m，堰頂和底板高程分別為1014.50 m和1010.20 m，分洪閘的下游設兩級消力池。其中，一級消力池為曲線溢流堰型，池長18.00 m，二級消力池為斜坡消力池，池長為29.80 m，斜坡段的坡比為1∶4，斜坡上設置三道消力坎，消力池的末端設置長度為65.00 m的海漫，海漫上游設置一道消力坎。

2 試驗模型的設計與制作

2.1 模擬范圍

根據需要和工程現狀，模型試驗的模擬范圍為分洪閘上游250.0 m，下游400.00 m，模型的寬度為分洪閘兩側堤防之間的寬度，以保證模型試驗過程中的水流相似性要求[3]。

2.2 模型設計

對溢流堰的消能結構進行優化設計，保證工程的正常使用和安全運行，需對整體模型進行試驗，分析消能部分的局部流態。考慮試驗場地因素和相關規范的具體要求，設定水工試驗模型的幾何比尺為50[4]。為有效模擬工程運行中的水流流態特征，模型采用PVC灰板制作，其中閘室和消力池段等過水關鍵部位利用有機玻璃制作，以滿足水流紊動阻力相似性需求，模型制作過程中要求高程誤差小于2 mm，平面誤差小于10 mm[5]。模型設計平面圖見圖1。水位監測采用DJ800型多功能監測系統；斷面流速分布采用DJ800型多功能監測系統和畢托管聯合監測測量；底板壓強采用采用測壓管測量，測點布置見圖2；水流流態采用高倍像素相機拍攝[6]。

圖1 模型設計平面圖

圖2 測壓管測點布置示意圖

2.3 試驗工況

根據模型試驗的基本要求和相關研究成果，選取不同水位高度和閘門開度分析溢流堰的消能效果，試驗工況見表1。

表1 試驗工況表

3 溢流堰結構優化方案試驗

3.1 原設計方案試驗結果分析

利用模型試驗方法，在工況1及工況2、閘門開度為0.5 m條件下對原設計方案溢流堰消能效果進行分析，結果見表2。根據試驗結果可知：原設計方案，一級消力池溢流堰表面部分部位存在負壓現象，且主要集中于1號和2號測點，但是負壓值相對較小；位于消力池底板部位的3號、4號、5號和6號測點為正壓。結果說明一級消力池的消能效果比較理想，可以有效減輕二級消力池的消能壓力；在二級消力池斜坡部位的7號測點存在急流區，在消力坎后的8號和9號測點也存在比較明顯的負壓，水流紊動情況十分明顯；位于二級消力池下游的水躍區的10號、11號和12號測點為正壓；13號和14號測點位于海漫段，由于受到消力坎的作用，急流情況不怎么明顯。

表2 各測點的測壓管讀數與水面標高的差值 單位：m

在試驗中對不同工況、不同閘門開度條件下的消力池底板和部分海漫段底板壓力進行測量。結果見表3。結果顯示不同閘門開度下，兩級消力池的部分部位均存在負壓；在閘門開度1.3 m、試驗工況3條件下，二級消力池的斜坡面出現比較大的負壓，越過下游消力坎后的海漫段存在一段十分明顯的急流。說明消力池的消能效果并不理想，需要對消能結構進行進一步優化。

表3 不同閘門開度下原方案各測點的測壓管讀數與水面標高的差值 單位：m

3.2 二級消力池堰面優化設計

由表2的原設計方案的模型試驗結果顯示，二級消力池的消能效果并不理想，雖然消力坎具有顯著的消能效果，但是出池水流仍為急流。鑒于原設計方案中的一級消力池采用的是曲線型溢流堰，并且在模型試驗中顯示出良好的消能效果，因此將模型的二級消力池結構形式設計為曲線型溢流堰[7]。

開敞式堰面一般采用WES冪曲線，可按如下公式計算：

式中：Hd為定型設計水頭，m；k為系數；n為與上游堰坡有關的指數。

由于一級消力池內的水流紊動會對曲線參數的選擇造成影響，因此在設計中以原方案設計中的部分測量數據為依據，取定型設計水頭為3.7 m，上游堰高為1.8 m，k取2.2，n取1.85，得到的堰面曲線方程為：

堰面曲線的半徑根據下游堰高和設計水頭確定，計算結果為1.9 m，反弧段的角度為50°，設計曲線見圖3[8]。

圖3 堰面曲線設計示意圖（cm）

3.3 優化方案試驗結果分析

按照優化后的消力池溢流堰結構優化方案，重新進行模型制作并進行試驗，將試驗結果與原設計方案的試驗結果進行對比分析。

3.3.1 閘下消能試驗分析

為驗證優化效果，在工況1及工況2、閘門開度0.5條件下進行模型試驗，各測點的測壓管讀數與水面標高的差值見表4。由表4可知，上游溢流面的還存在負壓，但是負壓值明顯減小，一級消力池的水流紊動現象有所減輕，3號測點的正壓值減小。二級消力池的7號和8號測點部位為急流區，存在可以允許的負壓。10號、11號和12號測點水流比較平穩，使下游消能壓力大為減輕。13號和14號壓力變化不大，但是消力坎坎后的水流流態更為平穩。

表4 各測點的測壓管讀數與水面標高的差值 單位：m

3.3.2 水流形態觀測分析

對試驗過程中水流流態進行觀測，優化后的設計方案溢流堰東部存在部分急流區，工況1條件下海漫斜坡段的第一道消力坎坎前存在急流區看，長度為2 cm左右，但是較原型方案中100 cm長的急流區相比有明顯減小；在工況2條件下該部位的急流區長度為4 cm，較原型中200 cm長的急流區相比也有顯著減小。由此可見，將泄洪閘二級消力池改為曲線溢流堰后，有助于能量的消散，因此急流區長度大幅縮短，不會對工程的安全運行造成不利影響。總體來看，泄洪閘上游流態較好，泄洪閘下游的流態也較為平順，不存在明顯的回旋區。

3.3.3 不同開度下的閘下消能分析

為了進一步驗證優化方案的消能效果，在不同工況和不同閘門開度條件下進行模型試驗，根據試驗結果，獲得各測點的測壓管讀數與水面標高的差值，結果見表5。由表5可知，一級和二級消力池的溢流面上的測點1和測點2存在負壓，在工況2、開度1.3 m條件下，二級消力池的斜坡面的測點7～測點9存在負壓，但是負壓的值不大，不會對泄水閘的運行產生不利影響，與原始設計方案相比，負壓和急流現象有明顯縮小。

表5 不同閘門開度下優化方案各測點的測壓管讀數與水面標高的差值 單位：m

4 結論

水閘的設計要滿足泄流要求，還要滿足消能防沖。本文以烏蘭布和分洪區某分洪閘為研究對象，利用物理模型試驗對不同結構形式的消能效果進行分析，可獲得的如下結論：

1）對水閘原設計中的單曲線溢流堰消能結構進行模型試驗，認為原設計水流流態不理想，消能效果不能滿足實際要求，需要進行優化設計。

2）原設計方案的模型試驗結果顯示，二級消力池的消能效果并不理想，因此將模型的二級消力池結構形式設計為曲線型溢流堰。

3）對優化方案進行模型試驗，結果顯示水流流態十分平穩、急流區范圍減小長度縮短，消能效果可以滿足設計要求。