閘下三道坎消力池消能效果試驗(yàn)研究

李宗民，李金松

(德州市水利工程施工與維修中心， 山東 德州 253014)

建國以來，國家十分重視水利工程建設(shè)，通過修建水庫、水閘、堤壩、渠道等各種水工建筑物進(jìn)行水資源的調(diào)節(jié)和分配，對(duì)緩解我國水資源的時(shí)空分布不均問題起到了十分重要的作用[1]。在北方平原地區(qū)的水利工程建設(shè)過程中，為了擋水、引水或者泄水，經(jīng)常需要在河道或溝渠中修建多孔水閘[2]。這些水閘除了在泄洪和排澇時(shí)期，大部分時(shí)段都采用的是少數(shù)孔小開度的運(yùn)用方式，在這種應(yīng)用方式下，上游水流下泄過程中，往往會(huì)形成流速較高、能量集中的下泄水流， 與水閘下游造成極強(qiáng)的沖刷破壞作用，這些問題如不能妥善處理，往往會(huì)造成下游河床的嚴(yán)重沖刷以及折沖水流，從而威脅到兩岸建筑物的安全[3]。從具體的水流形態(tài)來看，在多孔水閘少數(shù)孔開啟的工況下，下泄水流的寬度相對(duì)較小，而隨著水體勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，其流速會(huì)不斷加快，從而對(duì)下游產(chǎn)生比較嚴(yán)重的沖刷破壞。為了解決這一問題，就必須要在水閘的下游采取消能措施。另一方面，在多孔水閘少數(shù)孔開啟的情況下，水流流態(tài)會(huì)比較復(fù)雜，其質(zhì)點(diǎn)會(huì)發(fā)生縱向、橫向和垂向位移，從而產(chǎn)生十分復(fù)雜的三元水躍，而并非簡單的二元水躍。但是，閘下消力池的設(shè)計(jì)一般都根據(jù)二元水躍進(jìn)行計(jì)算，因此與實(shí)際水流流態(tài)不符，因此會(huì)造成閘后嚴(yán)重的沖刷破壞。針對(duì)這一問題，此次研究以具體工程為背景，設(shè)計(jì)出一種三道坎消力池，并通過模型試驗(yàn)的方式驗(yàn)證其消能效果。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

某水閘屬于控制性攔河建筑物，建成于1973年，主要用途為攔污、灌溉、防洪等。由于設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低和年久失修，損毀情況比較嚴(yán)重，不僅影響到其功能發(fā)揮，同時(shí)也帶來一定的防洪安全隱患，因此需要重建。按照工程的設(shè)計(jì)，重建后的水閘為7孔開敞式平底閘設(shè)計(jì)，閘門凈寬為8.0m，總長64.0m，高12.5m。在原工程設(shè)計(jì)中，水閘的下游為挖深式消力池，斜坡段長度為6.0m，水平段長度為13.0m，總長為19m。為了對(duì)比研究三道坎消力池的消能效果，設(shè)置等間距的三級(jí)消力坎，坎高為1.1m，坎頂寬為1.0m，間距均為6.0m，其設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 三級(jí)消力坎設(shè)計(jì)方案示意圖

1.2 模型設(shè)計(jì)與制作

由于水閘的閘后流態(tài)比較復(fù)雜，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，需要保證模型與原水閘水力參數(shù)的一致性，因此需要按照幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的原則進(jìn)行物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)[4]。鑒于幾何相似是運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的前提，而同時(shí)保證水流運(yùn)動(dòng)過程中多種力的相似無疑是十分困難的，因此在試驗(yàn)中可以將問題適當(dāng)簡化，滿足主要作用力的相似性，因此模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)中僅需要保持和原水閘的佛汝德數(shù)相等即可[5]?；谏鲜鏊悸?，模型的幾何比尺為1∶100，流速比尺為1∶10，流量比尺為1∶100000，時(shí)間比尺為1∶10。

模型制作采用的是亞克力板，這種材料具有較高的透明度和抗老化性，綜合性能優(yōu)異[6]。按照幾何比尺換算，閘門寬為8cm、閘墩寬為1cm，下游為下降護(hù)坦式消力池，消力池斜坡段長6cm，坡度為1∶4，水平段長度為13cm。在模型制作和安裝過程中，制作和安裝精度均滿足SL 155—2012《水工模型試驗(yàn)規(guī)程》。根據(jù)工程的平面圖以及地形圖上的設(shè)置三角網(wǎng)進(jìn)行控制，利用全站儀進(jìn)行控制點(diǎn)的釋放，在地形復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行加密處理[7]。為了保證高速水流條件下水流流態(tài)的穩(wěn)定性，利用水準(zhǔn)儀高程測量。模型系統(tǒng)通過水泵將下游蓄水池中的水抽到上游水箱，在閘門調(diào)節(jié)后下瀉至下游渠道，最終進(jìn)入下游的蓄水池，從而實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)。

1.3 試驗(yàn)方法

此次模型試驗(yàn)主要使用秒表、三角量水堰、GS- 5光柵水位儀等進(jìn)行水位和流量測量的儀器。其中，秒表主要用于測量水流的時(shí)間，三角量水堰主要用于流量的測定，CS- 5光柵水位儀主要用于多點(diǎn)同步測量以及水位的記錄。

1.4 試驗(yàn)工況

為了方便描述，試驗(yàn)中對(duì)水閘閘孔進(jìn)行編號(hào)，從左向右依次為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#。為了考慮閘門開度的影響，將閘門開度設(shè)置為1、2兩級(jí)，結(jié)合水閘的設(shè)計(jì)資料以及具體的使用要求，設(shè)計(jì)出不同開啟閘孔、不同閘門開度、不同消能設(shè)施相互組合的12種試驗(yàn)工況，結(jié)果見表1。

表1 計(jì)算工況設(shè)計(jì) 單位：cm

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 急流段長度

在閘下消能設(shè)施中，急流段的長度是檢驗(yàn)消能效果的重要指標(biāo)。一般來說，如果效能設(shè)施中的急流段長度越長，就越會(huì)對(duì)下游造成比較嚴(yán)重的沖刷，破壞作用越明顯，因此消能效果也就越差[8]。利用構(gòu)建的水工模型，對(duì)各個(gè)試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)過程中的急流段長度進(jìn)行測量和記錄，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)獲得急流段長度，見表2。由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，不同的消能方式對(duì)消能設(shè)施的急流段長度存在比較明顯的影響?？傮w來看，如果其他條件相同，三道坎消力池和普通的挖深式消力池相比，其急流段的長度明顯偏小。由此可見，采用三道坎消力池可以顯著縮小急流段的長度，減輕下瀉水流對(duì)下游海漫段的沖刷，消能效果更佳。

表2 不同試驗(yàn)工況急流段長度 單位：cm

2.2 回流區(qū)長度

對(duì)多孔水閘而言，在少數(shù)孔小開度運(yùn)行工況下，下瀉水流的能量相對(duì)比較集中，中間部位的水流流速明顯偏大[9]。在這種情況下，水閘消能設(shè)施部位的主流區(qū)和兩側(cè)水體之間存在明顯的速度差，因此會(huì)產(chǎn)生十分明顯的紊動(dòng)剪切效應(yīng)，最終使兩側(cè)的靜水區(qū)演變?yōu)榛亓鲄^(qū)，而回流區(qū)的水流又會(huì)對(duì)中間的主流產(chǎn)生明顯的擠壓作用，阻礙其向兩側(cè)橫向擴(kuò)散，進(jìn)而進(jìn)一步惡化水流流態(tài)。由此可見，回流區(qū)長度也是評(píng)價(jià)消能設(shè)施消能效果的重要指標(biāo)。試驗(yàn)過程中對(duì)不同工況下的回流區(qū)長度進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，繪制出如圖2所示的回流區(qū)長度變化曲線。由圖2可知，雖然不同工況下均有明顯的回流區(qū)存在，但是不同消力池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)回流區(qū)的長度仍舊存在比較明顯的影響。具體來看，在相同的閘孔開啟方式下，三道坎消力池的回流區(qū)長度明顯偏小，究其原因，多道消力坎的存在能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)回流的有效堵截，有利于水流向兩側(cè)擴(kuò)散。因此，三道坎方案可以有效提升消力池的消能效果。

圖2 回流區(qū)長度變化曲線

2.3 斷面流速

斷面流速也是衡量消能效果的重要指標(biāo)。研究中對(duì)工況11和工況12下的消力池流速進(jìn)行測量，從測量結(jié)果中提取3個(gè)典型斷面的表層和底層流速，結(jié)果見表3。由表3可知，在0+15斷面，工況11和工況12的表層和底層最大流速值相差不大，而在0+30斷面和0+45斷面部位，采用三道坎消力池工況的表層和底層最大流速值明顯偏小。由此可見，采用該消力池設(shè)計(jì)方案，有助于控制和調(diào)整消力池內(nèi)的表層和底層流速，這對(duì)于減小水流對(duì)池底和下游海漫段的沖刷十分有利。

表3 斷面流速計(jì)算結(jié)果 單位：m/s

3 結(jié)語

此次研究以具體工程為背景，探討了水閘下游三道坎消力池的消能效果。結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的挖深式消力池相比，三道坎消力池設(shè)計(jì)方案的消能效果十分明顯，具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值，建議在相關(guān)類似工程中設(shè)計(jì)使用。另一方面，此次研究僅就三道坎消力池和傳統(tǒng)挖深消力池的消能效果進(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)證了三道坎消力池的工程應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然，消力坎本身的尺寸以及設(shè)置位置也會(huì)對(duì)消力池的消能效果產(chǎn)生顯著影響，在后續(xù)研究中需要在上述兩方面進(jìn)行深入研究分析，獲得消力坎的最佳尺寸和布置位置，以便為工程應(yīng)用提供更有效的支持。