導流墻對彎形河道中閘室水流條件變化的影響研究

王繼東，顧 峰，謝政廷

（1.無錫市水利設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214023；2.新吳區水利局，江蘇 無錫 214000；3.無錫市太湖新城置業有限公司，江蘇 無錫 214121）

1 引言

水是生活中不可缺少的物質，也是國家經濟發展的重要資源，我國是一個水資源總量豐富但人均總量稀缺的國家。近幾十年來，我國的基礎設施建設得到了飛速發展，水利水電工程也度過了建設高峰期，水閘作為水利工程中重要的控制水流的水工建筑物，在水工建設和后期維護研究中起著不可忽視的作用。在我國，常用的輸水方式為渠道和管道輸水，水閘在渠道輸水中起著控制上下游水位、調節流量等關鍵性作用，水閘閘門啟閉組合和啟閉方式對渠道水流下游形態影響作用顯著[1]。閘門一般在外部電力設備作用下勻速開啟，但實際閘門啟閉過程經常面對宣泄流量、季節性流量變化大等因素，通常采取水閘少數孔小度啟閉和對稱啟閉等方式，在這種啟閉方式下，渠道中的下泄水流在閘門后形成典型的三元水躍[2]。由于閘門孔的啟閉過程持續進行，伴隨著閘門啟閉，宣泄水流量會持續增加或減少，由此造成閘門宣泄水流流態更為復雜[3]。流態復雜水流內部水顆粒呈現雜亂無章的運動流態，此時，閘后渠道極易在閘門啟閉過程中受到嚴重的沖刷，導致渠道受到侵蝕，進而出現滲漏量加劇、渠道利用率降低等水資源問題，降低水工建筑物的使用年限[4]。消力池作為降低水流能量、削弱水流對渠道沖刷的重要水工建筑物被廣泛地應用在各種泄水建筑物下游[5]。我國現行規范和水閘專著一般都是推薦按照二元問題進行消力池設計，主要考慮水流在消力池內的運動流態為二元水躍和均勻運動的三元水躍，由此確定下泄水流的躍后深度，對比躍后水深和渠道下游水深確定消力池的深度[6]。為了盡可能使閘后下泄水流特征滿足消力池設計原理，通常在消力池內部修建導流墻保證下泄水流流態的均勻性，以達到最優的消能效果，降低水流對渠道沖刷，延長渠道有效使用年限。

2 試驗原理和試驗方案

2.1 試驗原理

2.1.1 模型相似原理

選定江蘇某攔河閘為原型，利用相似原理，采取重力相似準則建立幾何尺寸為1∶100的正態模型。其相關物理量參數比尺關系，詳見表1。

表1 相似模型物理量比尺關系

由此確定水力試驗模型閘門寬度為8 cm，消力池長度Ls=19 cm、高度h=1 cm、下降段坡度為1∶4，模型具體尺寸如圖1所示。模型選用硬度較高的有機玻璃板材料，共有7個閘門，由蓄水池、閘門、消力池和下游渠道組成。

圖1 消力池模型立面圖和平面圖

2.1.2 水流參數計算

基于相似原理，可以直接測量出水力模型中不同部位對應的水流。由于相似模型是在確定的水力條件下進行水力學試驗，因此有利于水力模型確定水力條件計算出不同工況下水流深度，為水流流態評價提供依據。

水流水躍深度計算依據水流發生水躍前后2個斷面的水力特征進行。基于恒定總流的動量方程，得到水躍前后斷面動量方程：

式中：ρ為水的密度（g/cm3）；Q為水流流量（m3/s）；β1，β2分別為水躍前后動量校正系數；v1，v2分別為水躍前后斷面水流流速（m/s）；P1，P2分別為水躍前后斷面動水壓力（Pa）；T為摩擦阻力（N）。

其中：

式中：A1，A2分別為水躍前后斷面面積別為水躍前后斷面形心水深（m）；γ為水的容重（N/m3）；其余變量含義同上。

將水流壓強參數代入式（1），可以得到明渠水躍方程：

式中：g為重力加速度（m/s2）；其余變量含義同上。

2.2 試驗方案

為探究閘門啟閉過程中導流墻對宣泄水流流態特征的影響效果，特開展2組試驗進行研究，第一組試驗為閘門在不同啟閉過程下閘后宣泄水流流態特征研究，具體試驗方案詳見表2。

表2 閘門啟閉歷時

對水力模型中水位監測主要從閘門前水位、閘門后水位和下游段水位分別進行，閘門前監測點選定在閘門前30 cm處（對應于原型為閘門前30 m處），閘門后選定在閘門后20 cm處(位于消力池內，對應于原型為閘門后20 m處），下游段選定在閘門后85 cm處（位于海漫端部，對應于原型為閘門后85 m處）。

第二組試驗為在閘門后宣泄水流對消力池沖刷作用下導流墻對閘后水流流態特征的影響研究。試驗時，確定上下游水流深度，調整導流墻長度，具體試驗方案詳見表3。

表3 不同導流墻長度

3 試驗結果分析

3.1 流態特征

依據水力模型，選定下游水位監測結果進行分析，下游水位變化如圖2所示。

圖2 不同啟閉條件下下游水位變化

從圖2可以看出，隨著水閘開啟時間逐漸延長，下游水位上升趨勢整體呈現先迅速上升、后緩慢上升、最后趨于穩定的狀態。對比不同啟閉歷時下下游水位變化趨勢發現，閘門開啟時間越短，下游水位開始上升時間節點越短，當閘門開啟時間分別為30、180和300 s時，下游水位開始上升的時間節點分別為3、4.5、6 s，這一現象說明閘門開啟時間越短，上游水流宣泄過閘速度越快；隨著閘門開啟時間逐漸延長，下游水位上升速率呈現逐漸降低的趨勢且上升時間也逐漸延長。當閘門開啟時間由30 s延長至300 s時，下游水位迅速上升的時間節點由12.5 s延長至43.8 s，說明閘門提升歷時不同，水流過閘速率不同、流量不同，流態也存在較大的差異。閘門啟閉過程直接導致了過閘水流的復雜性。盡管閘門在不同開啟歷時下水流特征較為復雜，但是當下游水位趨于穩定時，渠道水位穩定在特定深度，這一現象也體現了水流宣泄的歸一性，即水流過閘的過程雖然復雜，但是結果具有明顯的一致性。

3.2 導流墻影響

3.2.1 對三元恒定流的影響

第二組試驗中，在不同導流墻長度條件下，利用前文水躍高度計算公式和水力模型試驗對宣泄水流測量深度進行對比分析，探討導流墻長度對水流流態特征的影響。第二組試驗結果，詳見表4。

表4 躍后水深計算與試驗值對比

將表4計算結果與實際監測結果對比發現，宣泄水流躍后水深在3.33～3.58 m，且計算值與實際值相差不大，這說明誤差非常小，驗證了水力模型的合理性。

觀察流態特征發現，未設置導流墻時，過閘水流宣泄集中，主流主要集中在三孔水閘中部，水流下泄過程中，主流容易受到兩側水流擠壓，導致主流單寬流量增大，當下泄水流到達消力池時，易在消力池兩側產生回流，回流會進一步加劇對主流的擠壓作用，導致臨界水深進一步增大。

設置導流墻之后，不同長度導流墻作用下水躍寬度如圖3所示。由圖3可以看出，增設導流墻之后，宣泄水流水躍寬度變大，出現這一現象的原因為導流墻增強了對水流的引導作用，減緩了兩側靜水壓對主流擠壓作用，降低了對應的臨界深度。對比圖3中水躍寬度的增加與表4中躍后水深試驗值隨著導流墻長度的增大而逐漸減小，說明導流墻的設置增加了下泄水流的水躍寬度，改變了下泄水流的表面流態，減弱了下泄水流對消力池的沖刷作用，且導流墻長度越大效果越明顯。

圖3 不同長度導流墻作用下水躍寬度

3.2.2 對三元非恒定流的影響

針對水閘啟閉過程中下泄水流的三元非恒定流問題，以第一組試驗中閘門開啟時間為180 s、導流墻設置長度為0.5Ls為例探討閘門啟閉過程中導流墻對下泄水流的影響特征。由于三元非恒定流流態的復雜性及其在消力池內部的擠壓，三元非恒定流對消力池的沖刷作用明顯大于三元恒定流的沖刷效果，特別是三元非恒定流的非穩態作用，導致下泄水流易發生二次水躍，直接加深其對海漫部分的沖刷作用，因此選定閘門后60 m處斷面進行分析，該斷面測試結果詳見表5。

表5 閘門開啟時間150 s內水流流態特征

由表5可以看出，導流墻的設置可以有效避免下泄水流對主流的擠壓作用，降低下泄水流主流流速，且將下泄水流二次水躍位置提前。本次水力試驗研究表明，未設置導流墻時，開閘第30 s，此時下泄水流處于加速階段，下游水位還未達到指定深度，對應斷面水流流速為4.6 m/s，主流寬度約27 m；開閘第75 s時，此時下泄水流明顯處于受擠壓狀態，主流寬度被擠壓至24 m左右，對應斷面水流流速為7.7 m/s，二次水躍距離消力池約72 m，對海漫段產生明顯沖刷作用；開閘第150 s時，此時主流被擠壓現象加劇，主流寬度約21 m，對應斷面水流流速持續緩慢增大至8.1 m/s左右，二次水躍向消力池靠攏，距離消力池約68 m。設置導流墻后，在閘門開啟的整個過程中，主流被擠壓現象消失，此時主流寬度基本維持在26.8 m左右，且在閘門提起的過程中主流流速降低，二次水躍發生位置向消力池靠攏。選取開閘150 s的情況分析得出，主流最大流速降低至7.5 m/s左右，整體降低7.5%；二次水躍進一步向消力池靠攏至63 m，整體降低7.4%。由此可見，導流墻的設計可以改變三元非恒定流的流態特征，降低其對消力池和海漫的沖刷作用，增加渠道的有效使用年限。

4 結論

筆者以相似原理為基礎，利用水力模型試驗對江蘇某水閘不同啟閉歷時狀態下宣泄水流的流態特征進行試驗研究，分析了導流墻對閘后水流流態特征的影響，得到如下結論。

（1）閘門開啟放水過程中閘后水流是一個復雜的三元流形態，不同開啟歷時條件下，下游水深隨著閘門開啟時間增加呈現先快速上升、后緩慢上升、最后趨于穩定的狀態；閘門開啟時間越短，閘后水流迅速上升越快；當閘門開啟時間由30 s延長至300 s時，渠后水流迅速增加時間節點分別為12.5和43.8 s。

（2）三元恒定流水躍發生在消力池范圍內，導流墻的設置降低了兩側水流對中間主流的擠壓作用，保證了水流的單寬流量，加大了水躍寬度，降低了躍后水深，降低了水躍對消力池的沖刷作用；導流墻越長，控制水流效果越明顯。

（3）三元非恒定流二次水躍發生在海漫段，導流墻的設置增加了對下泄水流的引導作用，降低了下泄水流流速，提前了二次水躍發生位置，降低了二次水躍對海漫段的沖刷作用。