交錯(cuò)式擋坎在閘下輔助消能中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳慧玲

（喀左縣水利局，遼寧喀左122300）

1 工程背景

遼寧省燈塔灌區(qū)始建于1974 年，建成后成為遼寧省中部地區(qū)重要的商品糧生產(chǎn)基地[1]。灌區(qū)的總干渠長43.5 km，控制流域面積約為420 km2，水資源總量為3.13 億m3，可以使10 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)近26.4萬人受益。由于灌區(qū)建成運(yùn)行時(shí)間較長且始建標(biāo)準(zhǔn)不高，因此灌區(qū)的基本設(shè)施損毀比較嚴(yán)重，對(duì)灌區(qū)功能的發(fā)揮造成明顯制約[2]。因此，遼寧省及當(dāng)?shù)卣e極籌措資金進(jìn)行灌區(qū)的節(jié)水改造工程。其中，進(jìn)水閘的重建工程設(shè)計(jì)為開敞式7 孔平底閘，由閘前鋪蓋、閘室段以及泄洪道段組成，全長158.62 m。閘門凈寬為8.00 m，總長60.00 m，高14.50 m。由于水閘建在土質(zhì)河床上，受到主流束窄作用的影響，往往會(huì)造成泄流寬度小于河道的底寬，如果水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，極易造成下游的水流流態(tài)較差，進(jìn)而造成渠道段的嚴(yán)重沖刷[3]。因此，需要在消力池中設(shè)置輔助消能工保證水閘泄流水流的安全[4]。針對(duì)平原灌區(qū)的多孔水閘在運(yùn)行過程中往往存在三元突擴(kuò)水躍問題，給水閘的安全運(yùn)行造成顯著影響，同時(shí)也是水閘發(fā)生失事事故的主要誘因，鑒于常用的柵格、拱網(wǎng)等輔助消能工存在工程量大，費(fèi)用高的不足，本文提出一種交錯(cuò)式擋坎，并通過模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，提高其實(shí)用價(jià)值。

2 交錯(cuò)式擋坎的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

交錯(cuò)式擋坎與柵格、拱網(wǎng)等輔助消能工具有類似的工作原理，也就是通過擋坎對(duì)水流的反擊作用，改變下瀉水流的方向，同時(shí)將其擴(kuò)散為多股水流，通過相互之間的激蕩和摩擦，以達(dá)到消能目的，最終實(shí)現(xiàn)水躍長度的減小和能量損失的增大。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

交錯(cuò)式擋坎為長方體結(jié)構(gòu)，寬度和高度較小，長度較大。第1排設(shè)置1個(gè)擋坎，第2排設(shè)置2個(gè)擋坎，第3 排設(shè)置3 個(gè)擋坎，以此類推，相鄰兩排之間呈交錯(cuò)式分布的特征，其平面示意圖如圖1 所示。為了研究交錯(cuò)式擋坎的實(shí)際作用，先簡化為兩排擋坎，在后續(xù)研究中再增加排數(shù)并對(duì)其余參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過查閱和梳理該領(lǐng)域的相關(guān)研究文獻(xiàn)，確定交錯(cuò)式擋坎的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：擋坎的坎長i，也就是與閘門平行方向的長度，一般為閘門寬度的1/10至1/2；擋坎的位置s，也就是第1 排擋坎與閘門的水平距離，一般不超過消力池長度的1/2；擋坎的排間距a，也就是相鄰兩排擋坎之間的水平距離，一般為消力池長度的1/15至1/3；擋坎的凈寬n，也就是每排擋坎中相鄰兩個(gè)擋坎之間的水平距離，一般為閘門寬度的1/10至1/2；擋坎的高度h，一般在消力池深度的1/5至1倍之間。

圖1 交錯(cuò)式擋坎示意圖

2.3 設(shè)計(jì)方案

研究中利用開泰和王元兩位數(shù)學(xué)家提出的均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中以燈塔灌區(qū)的新建水閘參數(shù)為基礎(chǔ)[5]。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料，水閘的閘門寬度為8.00 m，消力池的長度和深度分別為19.00 m 和1.20 m。具體的方案參數(shù)如表1所示。

表1 基于均勻設(shè)計(jì)法的試驗(yàn)方案參數(shù)表 m

3 模型試驗(yàn)優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

水閘的模型使用有機(jī)玻璃制作，比尺為1∶100[6]。為了方便流場的觀測，在模型的下游渠道設(shè)置馬克筆標(biāo)記刻度，模型的平面布置示意圖如圖2 所示。模型的水流通過模型進(jìn)入海漫末端的蓄水池，然后用水泵通過管道輸送至上游的水箱，通過水箱的消能緩沖后進(jìn)入上游段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循環(huán)供水，在上游水箱的底部設(shè)置節(jié)流閥控制水位高度。試驗(yàn)過程中，利用鋼尺測量急流段的長度、寬度以及閘門前的水深；利用秒表計(jì)算水流實(shí)踐；利用GS-5 光柵水位儀實(shí)現(xiàn)水位的多點(diǎn)同步測量和記錄[7]。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫娌贾檬疽鈭D

3.2 交錯(cuò)式擋坎方案的比選

為了驗(yàn)證交錯(cuò)式擋坎的消能效果，首先對(duì)無坎工況進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模型中水流流態(tài)較差，主要表現(xiàn)為消力池內(nèi)部的兩側(cè)部位產(chǎn)生回流現(xiàn)象，且水位較高，因此產(chǎn)生了比較明顯的主流擠壓，形成高速水流，在消力池尾坎的作用下產(chǎn)生一次水躍，然后與下游的水流相互作用發(fā)生二次水躍。按照表1 中的方案參數(shù)，在制作的模型消力池對(duì)應(yīng)部位設(shè)置好擋坎，對(duì)10 種不同方案進(jìn)行模型試驗(yàn)。結(jié)果顯示，在設(shè)置交錯(cuò)式擋坎的情況下，水流流態(tài)相比無坎工況均有明顯改善，主要表現(xiàn)為急流段長度減小，二次水躍的長度和寬度均有不同程度的減小。這說明，本文提出的交錯(cuò)式擋坎具有比較顯著的輔助消能作用。10 種不同設(shè)計(jì)方案相比，方案3 的出池急流段長度最短，寬度較寬，在海漫的末端可以充分?jǐn)U散，消能效果較好。因此，方案3 為表1 所列的10 種方案的最佳方案。

3.3 進(jìn)一步優(yōu)化

鑒于交錯(cuò)式擋坎的布置方式多樣，進(jìn)行全面試驗(yàn)并不現(xiàn)實(shí)，因此研究中以方案3 為基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，并獲得方案11 至方案14。方案11—13 是在方案3 的基礎(chǔ)上增設(shè)第3 排同體型擋坎，個(gè)數(shù)分別為 1，2，3 個(gè)；方案 14 是保持方案 3的設(shè)計(jì)不變，將消力池末端出口加高20 cm。

對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行模型試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出如表2所示的流量均值數(shù)據(jù)。由表2 的數(shù)據(jù)可知，在增設(shè)交錯(cuò)式擋坎之后，平均流量均有不同程度減小，但是各方案相比，其流量均值極為接近，且占比均在99.7%以上。由此可見，由于交錯(cuò)式擋坎的體型較小，對(duì)水閘下瀉流量的影響極為有限，可以忽略不計(jì)。

表2 各工況的流量均值

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出如表3 所示的消力池出流段急流特征參數(shù)。由表3 的結(jié)果可知，交錯(cuò)式擋坎設(shè)置對(duì)出流急流段的長度影響比較明顯，但是對(duì)寬度的影響并不明顯。從急流段長度的減小值來看，方案11和方案14減小幅度最大；從水躍水深來看，方案11 和方案14 的一次和二次水躍的躍后水深最小。因此，較優(yōu)方案為方案11 和方案14。

表3 出流段急流特征 cm

流速也是影響下游沖刷的重要參數(shù)，表層流速較大是容易沖刷河岸，近底流速較大時(shí)容易沖刷河床[8]。因此對(duì)不同方案下的表層和底層流速進(jìn)行測試，結(jié)果如表4 所示。由表4 的數(shù)據(jù)可知，不設(shè)置交錯(cuò)式擋坎的情況下，表層和底層流速均較大，表層流速為6.64 m/s，底層流速為5.79 m/s，因此沖刷強(qiáng)度也較大，設(shè)置交錯(cuò)式擋坎之后，表層和底層流速明顯減小。其中，表層流速的最大值為5.34 m/s，相較于不設(shè)置交錯(cuò)式擋坎工況，減小了約7.77%，最小值為4.96 m/s，減小了約25.30%；底層流速的最大值為4.78 m/s，相較于不設(shè)置交錯(cuò)式擋坎工況，減小了約17.44%，最小值為4.63 m/s，減小了約20.03%。由此可見，說明設(shè)置交錯(cuò)式擋坎對(duì)降低表層和底層流速，減輕下游沖刷具有重要作用。各工況相比，工況3 和工況11 最佳。

表4 各工況的表層和底層流速 m/s

綜上，從流量角度來看，各設(shè)計(jì)方案與不設(shè)置交錯(cuò)式擋坎工況比較接近；從出池急流段的長度和寬度來看，方案11和方案14沖刷的范圍最小；從水躍水深來看，方案11 和方案14 的一次和二次水躍的躍后水深最小；從流速角度來看，工況3 和工況11最佳。此外，鑒于方案14的工程量較大，因此方案11為最佳設(shè)計(jì)方案，推薦用于工程設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

平原灌區(qū)的多孔水閘在運(yùn)行過程中往往存在三元突擴(kuò)水躍問題，給水閘的安全運(yùn)行造成顯著影響，同時(shí)也是水閘發(fā)生失事事故的主要誘因。文章基于相關(guān)研究成果，提出了交錯(cuò)式擋坎輔助消能工，同時(shí)以燈塔灌區(qū)新建水閘為工程背景，通過試驗(yàn)研究的方法驗(yàn)證了這一輔助消能工的有效性，同時(shí)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，給出了最佳設(shè)計(jì)方案，推薦在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用。當(dāng)然，此次試驗(yàn)研究僅針對(duì)固定水位、單孔、小開度條件下進(jìn)行試驗(yàn)，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步展開不同水位條件、不同閘門開啟方式下的試驗(yàn)研究，以獲取更為精準(zhǔn)和全面的研究成果。