閘后消力池二級消力坎設計參數優化研究

歐陽慶曉，譚宇靜

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510610)

1 工程背景

某灌區渠首進水閘為7孔開敞式平底閘設計，閘門凈寬為8.0 m，總長64.0 m，高12.5 m。由于多孔水閘在運行情況與設計工況往往并不一致，經常出現部分孔小開度開啟的情況，并造成下瀉水流的流速較大，能量較為集中。若采用傳統的挖深式消力池，往往難以滿足消能要求，在出消力池后還會出現二次水躍，對閘后的河渠造成明顯的沖刷破壞[1]。基于此，結合工程的實際情況以及相關研究成果，擬采用二級消力坎消力池設計方案[2]。顯然，池內消力坎的參數設計也是消力池消能效果的重要影響因素。因此本次研究以模型試驗的方式，展開對二級消力坎參數的優化研究，以期為相關工程設計提供技術支持和借鑒。

2 試驗設計與方法

2.1 模型試驗設計

為了使模型試驗的結果具有科學性和有效性，需要保證模型試驗和原型工程具有幾何相似、運動相似和動力相似[3]。在模型試驗設計過程中，一般需要首先滿足幾何相似性，然后再滿足運動和動力相似[4]。在此次試驗過程中，按照1∶100的模型比尺進行試驗模型設計，進而滿足水流運動相似性。關于動力相似，由于水流運動主要受到重力的作用，而其余影響因素的作用較為有限，因此只需滿足模型和原型的弗勞德數相等即可。基于上述思考，模型設計中的時間比尺為10；流速比尺為10；糙率比尺為2.15；流量比尺為105。

2.2 模型制作

試驗模型全部由有機玻璃制作，以滿足試驗模型的糙率要求[5]。同時，有機玻璃還具有表面硬度高、透光率高的特點，具有一定的材料優勢。模型的模擬范圍自上游至下游主要由3部分構成，分別為上游連接段、閘室段以及下游連接段。因此，模型的整體長380 cm、寬64 cm，各孔閘門寬8 cm，閘下消力池長19 cm，池深1 cm，其斜坡段的坡度為1∶4，模型的設計示意圖見圖1。試驗的供水和回水系統主要由水箱、蓄水池、水泵、管道以及控制系統組成。試驗中，水流經過上游段流至消力池段和下游渠道段，并在慣性的作用下自由流入模型下游的蓄水池，然后用水泵將蓄水池內的水流通過管道送至上游水箱，在充分消能之后流入模型上游，實現整個試驗模型的循環供水。在水箱的底部安裝有流量調節閥，滿足上游水位的控制要求。

圖1 試驗模型布置示意圖

2.3 數據采集

此次試驗需要用到的儀器有GS-5光柵式水位儀、鋼尺和秒表等。其中，GS-5光柵式水位儀的主要功能是多點測量和記錄水位高度，測量誤差在0.2 mm以內[6]。秒表主要用于測量水流時間；鋼尺主要用于測量急流段長度和水深數據。由于閘下水流出流過程是一個十分復雜的過程，在現有的試驗條件下，對其過程進行準確測量較為困難。因此，只能通過對多斷面水利要素的測量獲得其水流特點。在試驗過程中，開啟中間孔閘門，閘門的開度保持1 cm不變，觀察不同試驗工況下的流態、測量急流段長度、回流區范圍和流速，對不同的消力坎設置方案進行對比，以獲取最優設計方案。

2.4 試驗方案設計

顯然，消力坎的參數會對二級消力坎消力池的消能效果產生直接影響[7]。其中，二級消力坎的間距和坎高影響最為明顯[8]。因此，研究時保持原設計方案中的其余設計參數不變，將消力坎的間距和坎高作為主要設計變量。結合工程的實際情況和相關工程經驗，試驗研究中設計11.0、13.0和15.0 cm共3種不同的消力坎間距，0.7、0.9和1.1 cm共3種不同的消力坎坎高進行組合，并以無消力坎設計的消力池為對比工況，設計試驗方案見表1。試驗中，根據不同方案對消力池內的兩道消力參數進行調整和試驗，并根據試驗成果，選擇出最優的設計方案。

表1 試驗方案設計

3 試驗結果分析

3.1 急流段長度

在水閘的閘下消能設施中，存在較長的急流段是十分不利的，這不僅不利于形成泄流設施中的良好流態，同時還會對下游海漫段造成比較嚴重的沖刷作用。一般來說，急流段長度越長，對下游的沖刷破壞范圍越大、程度越深，越不利于工程運行期間的安全穩定。試驗中，利用鋼尺對不同試驗方案下的急流段長度進行測量，測量獲得的數據見表2。

表2 不同急流段長度 /cm

由表2中的結果可以看出，各個方案的急流段長度存在明顯的差異，因此消力坎的參數對急流段長度存在較為顯著的影響。首先，在沒有設計消力坎的對比工況下，雖然表2中的記錄數據為89.0 cm，事實上急流段的長度已經超出模型的試驗范圍，在模型的出口部位仍表現為急流狀態。由此可見，采用傳統的挖深式消力池并不能滿足消能要求。同時，方案1至方案9的急流段長度明顯偏小，說明采用二級消力坎設計可以大幅降低急流段長度，減輕下游的沖刷。另一方面，從表2中的試驗數據還可以看出，消力坎間距和坎高過大或者過小，都會造成急流段長度的增加，不利于提高消能效果。試驗方案5的急流段長度最小，為19.4 cm，與工況2的23.5 cm相比減小約17.4%；與方案9的39.4 cm相比，減小約50.8%。由此可見，方案5控制急流段長度的效果最佳，對于減輕下泄水對下游海漫段的沖刷較為有利。

3.2 回流區長度

在多孔水閘部分孔小開度開啟的工況下，受到泄水流量集中的影響，主流區和兩側的水體形成比較明顯的紊動剪切效應，最終使靜水區演變為回流區，而回流區又會對消力池中部的主流造成擠壓，對其橫向擴散造成阻礙。因此，回流區長度也是衡量消能效果的重要指標。研究中，測量并統計出不同試驗方案的回流區長度，結果見表3。

表3 不同方案回流區長度 /cm

由表3中的結果可以看出，回流區的長度變化規律與急流段類似。究其原因，主要是回流區由主流區和兩側水體的紊動剪切效應形成，因此回流區的長度和范圍與急流段長度存在明顯的相關性。總之，從回流區長度的試驗數據來看，二級消力坎設計方案與傳統的挖深式設計方案相比存在顯著的優勢。從不同消力坎參數設計方案來看，方案5的優勢比較明顯，對控制回流區的長度最為有利。

3.3 斷面流速

試驗中，對消力池段0+15、0+30和0+45這3個典型斷面的表層和底層流速進行測量計算，根據計算結果繪制表層和底層流速的變化曲線，見圖2和圖3。

由圖2和圖3可知，與方案10相比，其余各方案的底層和表層流速值明顯偏小，說明二道坎消力池在控制下泄水流速方面具有比較明顯的優勢。從各個二道坎設計方案來看，二道坎的間距和坎高對表層水流的流速影響極為有限，對底層流速存在一定的影響。從具體的試驗結果來看，0+15、0+30斷面方案4的流速值最小，分別為3.57和3.38 cm/s；0+45斷面方案5的流速值最小，為1.98 cm/s，同時3個斷面方案4和方案5的流速值比較接近。

圖2 底層流速變化曲線

圖3 表層流速變化曲線

4 結 論

此次研究通過模型試驗的方式，對閘下消力池二道坎消能工的消能效果和參數優化進行研究，并獲得如下主要結論：

1) 設置二道坎方案和傳統的挖深式方案相比，急流段長度、回流區長度和流速值明顯減小，具有明顯的消能優勢。

2) 從急流段長度、回流區長度試驗結果來看，方案5為最佳方案；從流速試驗結果來看，方案4和方案5較優。

3) 綜合試驗結果，認為方案5為最優方案。建議工程設計中，二道坎的間距為13.0 m，坎高為0.9 m。