沿海(江)水閘二級消力池消能特性研究

邢超鋒

(上海上咨工程設計有限公司，上海 200000)

0 引言

沿海(江)水閘閘下潮位變幅較大，使出閘水流從自由流到淹沒流，從急流到緩流均有可能發生，導致水流流態更加復雜，在整個排水過程中過閘水流很難保證持續性合理銜接，易產生遠驅水躍或水面跌落，從而產生高流速，引起局部沖刷，造成下游消能防沖設施的破壞，一旦出現問題維修困難，影響區域行洪除澇安全，且造價高昂，動輒千萬元。保證過閘水流與閘下水體間的合理銜接，是解決沿海(江)水閘沖刷問題的關鍵。相關研究表明，通過設置二級消力池，加大下游水深，控制淹沒水躍發生，在解決單級消力池出池水面發生較大波動問題的同時，可提高消力池對下游尾水位的適應性，對于解決海潮影響尾水位變動較大的低弗勞德數(Fr)水閘消能問題具有很大優勢。

相關學者已對二級或多級消力池開展過大量研究工作，包括消力池的水力特性、布置、體型參數、水力計算等方面。譚高文等[1-2]采用物理模型試驗方法，分別研究了低弗勞德數水流單級和二級消力池的水力特性和消能結構特性[1]，采用理論分析和物理模型試驗相結合的方法，研究了低弗勞德數水流二級消力池體型參數及其敏感性[2]；黃智敏等基于廣東省3座攔河閘除險改造和重建工程的水力模型試驗研究成果，對低水頭攔河閘下游二級消力池的布置進行研究[3]；對攔河閘下游二級消力池池底作用總水頭的計算方法進行分析，提出了二級消力池的水力計算和體形布置方法[4]；吳子榮等[5]通過實際工程的水工模型試驗研究，歸納出了低弗勞德數水流多級消力池的一些水力特性；黃朝煊[6]針對消能計算過程中需多次反復試算查表的問題，基于水力學理論、數學推導及Matlab軟件數值分析，對多級消能分別進行了總結分析；廣東省地方標準軟基水閘消能防沖設計規程中，提供了二級消力池的計算方法[7]。前人的研究成果為二級消力池進一步研究及應用提供了依據，但目前專門針對沿海(江)地區水閘二級消力池消能的相關研究較少，與其他地區不同，沿海(江)水閘上下游水位差通常較小，弗勞德數更低，且下游潮(水)位變幅頻繁，水力特性更為復雜。為此，本文章以某沿海水閘工程為例，采用三維數值模擬分析與物理模型試驗相結合的方法，進行沿海(江)水閘二級與單級消力池的水力特性對比分析及消能影響因素研究。

1 研究方法

三維數值模擬分析采用Flow-3d軟件，Flow-3d計算的核心采用真正的三步流體體積法(TruVOF)，在求解流場時，能夠對自由表面達到更精確的模擬。采用tecplot360軟件對數值模擬結果進行后處理，依次選取不同位置的水流流場剖面圖進行分析。

物理模型按重力相似準則設計，幾何比尺為40，模型長度約25m，寬度約3m，上游河道按圖紙模擬，下游河道概化為梯形斷面。模型過閘流量由調節閥控制，電磁流量計量測，測量精度為0.5級；模型下游末端設置調節尾門，控制水位，用水位測針量測，測針讀數精度0.1mm；典型斷面部分測點，采取超聲多普勒三維流速儀(ADV)進行流速大小和流向量測；流態通過在流場中施放示蹤劑，利用高性能攝像機記錄流場圖像，進行對比分析。試驗平面布置如圖1所示。

圖1 物理模型試驗平面布置

2 單級與二級消力池水力特性研究

以上海某出海閘為例，內河設計高水位3.75m，外河平均低潮位0.16m。采用控制變量法，分別研究不同下游水位條件下消能特性(工況1、2、3)，與不同過閘流量條件下的消能特性(工況3、4、5)，模擬工況見表1。

表1 主要模擬工況

以工況3為例，數值模擬分析流場分布如圖2—3所示，物理模型試驗流態照片如圖4所示。

圖2 單級與二級消力池數值模擬縱向剖面流場—以工況3為例

圖3 單級與二級消力池數值模擬水平向剖面流場—以工況3為例

圖4 單級與二級消力池物理模型試驗閘下流態照片—以工況3為例

典型工況3，數值模擬及物理模型定量流速分布，分別如圖5—6所示。

圖5 單級與二級消力池平面平均流速分布(數值模擬成果)—以工況3為例

圖6 單級與二級消力池平面平均流速分布(物理模型成果)—以工況3為例

消能率的計算公式為：

η=(E1-E2)/E1

(1)

式中，E1—閘前總能量；E2—消力池末端總能量，包含了水流過閘能量損失。

流速分布均勻度的計算公式為：

(2)

各工況單級與二級消力池消能防沖定量分析見表2。

表2 各工況單級與二級消力池消能防沖定量分析

數值模擬分析及物理模型試驗在水流流態、流速分布、消能率、流速均勻度等方面的變化規律基本一致，由于物理模型試驗的數據采集密度與數值模擬存在差異，兩者的定量計算結果呈現一定差異，具體如下。

由圖2—4可知，水流流態分布為：①相同上游水位及過閘流量條件下，上下游水位差越大，閘下水流越急、流態越紊亂。②單級消力池水躍的躍首位于消力池斜坡中下段，池中存在回流區和局部水流集中現象，坎后形成較大的水面跌落區；二級消力池的一、二級池內均有發生水躍，一級池躍首出現在消力池斜坡中下段，躍尾在一級池末端，二級池在前2/3范圍內形成弱水躍，水流得到了明顯的均化，與下游水面銜接較為平順。③單級消力池水流漩渦主要發生在閘墩后側區域，二級消力池與其相比，在二級消力池首段的底部也出現大量漩渦，更有利于能量的消散。④單級消力池的水流流態紊亂，出池水流及海漫段水流流線的橫向波動幅度較大，且自表層至底層水流橫向波動逐漸增強；二級消力池出池水流及海漫段水流流線較為平順，橫向波動幅度明顯減小。水流流態分析表明，二級消力池更利于水流能量消散，出池水流與下游水面銜接更為平順，對下游水位變動的適應性更強，適應區間也更大。

由圖5—6可知，總體流速分布為：①單級消力池末端的流速分布呈大鋸齒狀，變幅較大，均勻性差；二級消力池末端的流速分布呈微波浪狀，變幅小，流速更為均勻。②上下游水位差越大，閘下流速橫向波動越強，流速梯度越大，但二級消力池整體流速梯度要小于單級。

由圖5—6及表2可知，立面流速分布為：①單級消力池末端流速呈表層小、底層大分布規律；二級消力池末端流速呈表層大、底層小分布，與天然河道水流垂向流速分布規律相似。②二級消力池可有效降低進入海漫段水流的底層流速，數值模擬計算的底流速較單級消力池減小28%～40%，物理模型試驗計算的底流速較單級消力池減小42%～58%，可有效降低海漫段的沖刷風險。立面流速分布表明，二級消力池對閘下水流垂向流態具有顯著改善效果。

由表2可知，消能率為：①沿海(江)水閘的弗勞德數較小，無論是單級消力池，還是二級消力池，消能率均整體偏低。②上下游水位差越大，消能率越高。③二級消力池較單級對消能率有一定提升作用，但提升效果有限，本研究數值模似計算結果提升幅度基本在10%以內，物理模型試驗計算結果提升幅度在16%以內。

由表2可知，流速均勻度為：①二級消力池末端的流速分布更為均勻，數值模似計算結果流速均勻度較單級提升6%～34%，物理模型試驗計算結果較單級提升3%～21%。②上下游水位差越大，消力池末端流速均勻度越差，二級消力池對流速均勻度的提升效果也越顯著。

三維數值模擬及物理模型試驗均表明，采用二級消力池可使內外河水位由高到低較平順銜接，可改善水流流態，減小底層流速，降低閘下沖刷的風險。

3 二級消力池消能影響因素研究

根據前節研究成果，雖然二級消力池對消能率有一定的提升效果，但作用更體現在對閘下水流流態的改善效果上，為進一步研究二級消力池消能效果的影響因素，增加表3中7種研究工況。

表3 二級消力池影響因素分析計算工況

考慮到部分工況躍前斷面不典型，躍前水深、流速等在實際工程中也不易準確計算，因此采用閘孔弗勞德數Fr進行分析，以方便運用。各工況下二級消力池消能率、消力池末端流速均勻度計算結果見表4。

表4 各工況二級消力池消能率及消力池末端流速均勻度計算匯總

根據表4計算結果，消能率與閘孔Fr及下游海漫末端Fr關系如圖7所示，消能率隨著閘孔Fr及下游海漫末端Fr的增大而增大，呈正相關關系。

圖7 消能率與閘孔Fr及海漫末端Fr關系

根據表4計算結果，消力池末端流速均勻度與閘孔Fr及下游海漫末端Fr關系如圖8所示，消力池末端流速均勻度隨閘孔Fr及下游海漫末端Fr的增大而減小，呈負相關關系。

圖8 流速均勻度與閘孔Fr及海漫末端Fr關系(數值模擬成果)

4 結語

沿海(江)水閘閘下出現沖刷問題的現象比較普遍，設置二級消力池在應對閘下尾水位變化的低Fr水閘消能問題中具有顯著優勢。數值模擬及物理模型試驗成果均表明，二級消力池布置型式較單級消力池更加適合沿海(江)閘下水位變幅較大的水閘運行條件，可使內外河水位較平順銜接，提升消力池末端及海漫段的流速均勻度，降低底層流速，可有效降低下游沖刷的風險。上下游水位差越大，二級消力池對水流流態的改善效果越顯著。二級消力池消能率與閘孔Fr及下游海漫末端Fr呈正相關關系，消力池末端流速均勻度與其呈負相關關系。

本研究成果對沿海(江)水閘消能防沖設計及工程應用具有一定指導意義，但對二級消力池的體型參數確定及消能率進一步提升還需深化研究。