黃智敏, 付 波, 陳卓英

(廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510635)

1 研究背景

低水頭水閘運(yùn)行特點(diǎn)為泄洪流量大、水位差較小，其泄洪消能多采用底流消能方式。在給定的水閘泄流水力參數(shù)條件下，根據(jù)工程具體條件，可先計(jì)算和確定水閘下游消力池的池末端尾坎頂高程、池深等，然后再計(jì)算和確定消力池長(zhǎng)度。水閘下游消力池末端尾坎頂高程、池深等計(jì)算和確定方法可參考文獻(xiàn)[1-4] ，但目前國(guó)內(nèi)有關(guān)水閘下游消力池合理池長(zhǎng)的研究成果仍較少[5-10]。

水閘下游消力池池長(zhǎng)通?？砂次墨I(xiàn)[1] 建議的公式計(jì)算，但由于水閘下游消力池的水流條件較復(fù)雜，水閘出流條件(自由出流、淹沒(méi)出流)對(duì)閘下游流態(tài)和水躍長(zhǎng)度影響較大，若不正確區(qū)分水閘下游的流態(tài)，則計(jì)算得出的消力池池長(zhǎng)明顯不合理，會(huì)增加工程投資和造成浪費(fèi)。

本文結(jié)合廣東省鑒江高嶺攔河水閘重建工程下游消力池水力模型試驗(yàn)研究成果[11]，在水閘閘門全開(kāi)泄流(即閘門全開(kāi)敞泄，下同)的下游出流流態(tài)判別的基礎(chǔ)上，提出了低水頭水閘下游消力池合理長(zhǎng)度的計(jì)算和選取方法。

2 消力池長(zhǎng)度計(jì)算和分析

常規(guī)水閘下游消力池長(zhǎng)度計(jì)算公式為公式(1)～(4)[1，12]，相應(yīng)的消力池體型和水力參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 水閘下游消力池體型和水力參數(shù)示意圖

消力池長(zhǎng)度Lsj

Lsj=Ls+βLj

(1)

水躍長(zhǎng)度Lj

Lj=6.9(h2-h1)

(2)

其中：

(3)

(4)

式中：Ls為消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度，m；β為水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，可取0.7～0.8；h1為消力池進(jìn)口收縮斷面水深,m；q為泄流單寬流量,m3/(s·m)；E0為以消力池底板為基準(zhǔn)計(jì)算的總水頭,m；φ為流速系數(shù)；g為重力加速度,m/s2；h2為躍后水深,m；α為水流動(dòng)量校正系數(shù)，可采用1.0～1.05；b1為消力池首端寬度,m；b2為消力池末端寬度,m。

由公式(1)～(4)分析，在已知水閘泄流單寬流量q、閘上游水位Zu、閘下游水位Z與流量Q關(guān)系等水力參數(shù)條件下，就可以計(jì)算出消力池底板總水頭E0、消力池的水躍參數(shù)(如h1、h2及Lj) 等，從而可進(jìn)一步計(jì)算出消力池長(zhǎng)度Lsj。

由公式(2)分析，正常水躍的躍長(zhǎng)Lj隨消力池躍后水深h2與躍前水深h1的差值(h2-h1)增大而增加，而h1、h2和(h2-h1) 等隨泄流單寬流量q增加而增大，因此，消力池水平段長(zhǎng)度βLj隨q增加而增大，其通?？捎伤l最大泄洪流量Qm來(lái)確定。對(duì)于平原地區(qū)河流或閘上、下游水位差較小的水閘，在水閘閘門全開(kāi)泄流、最大泄洪流量Qm運(yùn)行時(shí)，其上、下游水位差較小(計(jì)算閘孔總凈寬時(shí)，平原區(qū)水閘的過(guò)閘水位差可采用0.1～0.3 m[1])，出閘水流多呈波狀的明渠流流態(tài)，閘下游消力池?zé)o水躍產(chǎn)生。此時(shí)，若不正確判別水閘出流流態(tài)，籠統(tǒng)按Qm計(jì)算的消力池長(zhǎng)度會(huì)明顯偏大，從而造成工程量增加和投資浪費(fèi)。

通常，水閘泄流調(diào)控運(yùn)行有兩種方式：一是在水閘上游為正常蓄水位條件下，水閘閘門局部開(kāi)啟、控泄運(yùn)行，此運(yùn)行方式水閘上、下游水位差相對(duì)較大；二是當(dāng)上游洪水來(lái)流量較大時(shí)，為了確保水閘工程的安全運(yùn)行，水閘閘門需全部開(kāi)啟敞泄，此運(yùn)行方式的閘上、下游水位差相對(duì)較小。這兩種運(yùn)行方式的水閘下游出流流態(tài)是有差異的。

圖2是高嶺攔河水閘重建工程水力模型試驗(yàn)研究的下游消力池推薦方案剖面圖，攔河閘共設(shè)16孔閘，單孔閘凈寬15 m，閘墩厚為2.5 m和3.0 m兩種，閘下游消力池池底高程-1.00 m、水平段長(zhǎng)度22.5 m。攔河閘下游消力池水力模型試驗(yàn)在60 cm寬的玻璃水槽中進(jìn)行，水力模型按重力相似律設(shè)計(jì)為正態(tài)，幾何比尺Lr=46.67。為了分析下游消力池長(zhǎng)度的合理性，進(jìn)行了水閘閘門兩種運(yùn)行開(kāi)啟工況的試驗(yàn)比較：(1)水閘閘門全開(kāi)、泄放最大洪水流量(校核洪水流量，P=0.5%)運(yùn)行；(2)水閘上游為正常蓄水位(8.20 m)、控泄運(yùn)行的最大閘門開(kāi)度em運(yùn)行。

圖2 高嶺水閘下游消力池布置剖面圖(單位：m)

2.1 閘門全開(kāi)運(yùn)行的消力池流態(tài)試驗(yàn)

在最大洪水流量(P=0.5%，閘孔泄流單寬流量q=23.99 m3/(s·m))、不同閘下游河道水位Z的水力模型試驗(yàn)水力參數(shù)見(jiàn)表1，閘下游運(yùn)行的流態(tài)和流速分布見(jiàn)圖3～5。

(1) 當(dāng)閘下游河道水位Z=5.00～6.00 m時(shí)，出閘水流為自由出流，以消力池底為基準(zhǔn)的下游水深(ht+d)

表1 高嶺水閘及消力池運(yùn)行水力參數(shù) m

注：(1)ht為下游河床水深； (2)hs為以閘室堰頂為基準(zhǔn)的下游河床水深(見(jiàn)圖1)。

圖3 水閘下游消力池流態(tài)和流速分布示意圖(Z=5.00、6.00m)

(2)當(dāng)閘下游河道水位上升為Z=7.00～8.00 m時(shí)，其下游水深(ht+d)>h2、且hs/H<0.8 (H為閘室堰頂?shù)纳嫌嗡?，hs為以閘室堰頂為基準(zhǔn)的下游河床水深)，此時(shí)，出閘水流仍為自由出流，消力池內(nèi)逐漸形成穩(wěn)定的水躍，池內(nèi)水躍長(zhǎng)度隨閘下游相對(duì)水深hs/H增加而減小，即池內(nèi)躍尾斷面隨hs/H增加往上游移動(dòng)(見(jiàn)表1和圖4)。

(3) 當(dāng)Z=8.50 m(hs/H=0.8)時(shí)，出閘水流為自由出流和淹沒(méi)出流的臨界狀態(tài) (或稱淹沒(méi)出流[12])，池內(nèi)躍尾斷面位于約樁號(hào)0+053 m斷面。隨著閘下游水位Z繼續(xù)增加，池內(nèi)水躍長(zhǎng)度減短，躍尾斷面向消力池上游移動(dòng)。當(dāng)閘下游河道水位上升至Z=9.00～10.00 m (hs/H=0.88～0.98，淹沒(méi)出流)，消力池內(nèi)無(wú)水躍、呈波狀的明渠流流態(tài)；受水閘閘室平底堰的影響，下游消力池上游段底部出現(xiàn)局部回流區(qū)，主流在消力池水流的上部(見(jiàn)表1和圖5)。

因此，高嶺水閘在下泄校核洪水流量(P=0.5%，Z=12.16 m) 運(yùn)行條件下，閘上、下游水位差△Z<0.1 m，出閘水流無(wú)水躍產(chǎn)生，閘下游呈波狀的明渠流態(tài)[11](見(jiàn)圖6)。

圖4 水閘下游消力池流態(tài)和流速分布示意圖(Z=7.00、8.00m)

圖5 水閘下游消力池流態(tài)和流速分布示意圖(Z=8.50、9.00、10.00m)

圖6 水閘下游消力池流態(tài)和流速分布示意圖(Z=12.16m)

2.2 閘門局部開(kāi)啟、控泄運(yùn)行的消力池流態(tài)試驗(yàn)

在水閘上游正常蓄水位8.20 m、閘門最大開(kāi)度em=0.75 m(Z=3.52 m)的泄流運(yùn)行工況下，其下游消力池的流態(tài)和流速分布見(jiàn)圖7。測(cè)試的消力池水躍躍尾斷面樁號(hào)約為0+058 m，比水閘泄放校核洪水頻率流量(P=0.5%)、閘下河道水位Z=8.50 m(即hs/H=0.8，自由出流和淹沒(méi)出流的臨界狀態(tài))相應(yīng)的水躍長(zhǎng)度要長(zhǎng)。

圖7 水閘下游消力池流態(tài)和流速分布示意圖

2.3 試驗(yàn)成果分析

采用相關(guān)的水閘下游消力池計(jì)算公式[1，12]，對(duì)高嶺水閘下游消力池長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，對(duì)計(jì)算結(jié)果分析如下：

(1) 在閘上游正常蓄水位8.20 m、閘門控泄最大開(kāi)度em=0.75 m(q=4.93 m3/(s·m)、Z=3.52 m)條件下，計(jì)算的下游水躍長(zhǎng)度Lj=20.63 m，其消力池水平段長(zhǎng)度可取0.8Lj=16.5 m。

(2) 在校核洪水頻率流量(P=0.5%、閘門全開(kāi)泄洪、Zu=12.22 m、Z=12.16 m)條件下，計(jì)算的下游水躍長(zhǎng)度Lj=43.06 m，其消力池水平段長(zhǎng)度可取0.8Lj=34.45 m。

由表2可見(jiàn)，校核洪水頻率流量(P=0.5%)泄流的消力池下游水深(ht+d)明顯大于其計(jì)算的躍后水深h2，消力池內(nèi)產(chǎn)生高淹沒(méi)水躍；且由于閘下游相對(duì)水深hs/H>0.8，水閘為淹沒(méi)出流。因此，可判斷水閘下游無(wú)法產(chǎn)生正常的水躍、閘下游為波狀的明渠流(見(jiàn)圖6)。

(3) 經(jīng)綜合分析各種泄流工況的水閘下游流態(tài)和池長(zhǎng)等，并取一定的安全系數(shù)，高嶺水閘重建工程下游消力池水平段長(zhǎng)度選取為22.5 m ，為閘上游正常蓄水位8.20 m、閘門控泄最大開(kāi)度em=0.75 m計(jì)算的水躍長(zhǎng)度Lj的1.09倍(見(jiàn)圖2)。

表2 水閘下游消力池長(zhǎng)度計(jì)算表

注：h1、Fr1為消力池水流收縮斷面的水深和佛氏數(shù)。

3 消力池長(zhǎng)度的合理選取方法分析

在水閘閘門全開(kāi)、泄洪流量一定的條件下，水閘下游流態(tài)和水躍長(zhǎng)度與其下游河道水位Z有關(guān)。在水閘下游消能設(shè)計(jì)Z～Q關(guān)系確定的條件下，水閘下游消力池水平段長(zhǎng)度βLj應(yīng)考慮以下的因素進(jìn)行選?。?/p>

(1)水閘閘門全開(kāi)、宣泄最大洪水流量Qm運(yùn)行時(shí)，若hs/H<0.8(水閘出流為自由出流)，應(yīng)采用Qm，按文獻(xiàn)[1] 等計(jì)算和選取消力池長(zhǎng)度。

(2)水閘閘門全開(kāi)、宣泄最大洪水流量Qm運(yùn)行時(shí)，若hs/H≥0.8(水閘出流為淹沒(méi)出流)，閘下游水躍長(zhǎng)度較短或呈無(wú)水躍狀態(tài)，此時(shí)，不應(yīng)采用Qm計(jì)算和選取消力池長(zhǎng)度，而應(yīng)采用水閘上游為正常蓄水位、閘門控泄最大開(kāi)度em的泄量計(jì)算和選取消力池長(zhǎng)度。

在此運(yùn)行條件計(jì)算消力池長(zhǎng)度時(shí)，為了確保工程的安全運(yùn)行，閘門控泄最大開(kāi)度em對(duì)應(yīng)的閘下游河道水位Z應(yīng)選取低一級(jí)閘門開(kāi)度泄流穩(wěn)定之后的下游水位[13](如高嶺水閘重建工程在正常蓄水位8.20 m條件下，閘門控泄的每一級(jí)閘門開(kāi)度間隔設(shè)置為△e=0.25 m，其閘門控泄最大開(kāi)度em=0.75 m運(yùn)行對(duì)應(yīng)的Z應(yīng)選取閘門開(kāi)度e=0.5 m泄流穩(wěn)定之后的下游河道水位)；同時(shí)，為了確保工程的安全運(yùn)行，建議消力池水平段長(zhǎng)度βLj的水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)β取1.0。

在實(shí)際計(jì)算中，為了方便正常蓄水位、閘門控泄條件下消力池長(zhǎng)度的計(jì)算和選取，通常可根據(jù)閘門控泄的各級(jí)開(kāi)度e分別計(jì)算消力池的長(zhǎng)度(計(jì)算中，各級(jí)閘門開(kāi)度e運(yùn)行的Z為低一級(jí)閘門開(kāi)度泄量對(duì)應(yīng)的下游河道水位；同時(shí)，水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)β取1.0)，選取計(jì)算的最大值為消力池長(zhǎng)度。

(3) 按照文獻(xiàn)[1]，對(duì)于大型工程的下游消力池布置和體型尺寸，應(yīng)通過(guò)水力模型試驗(yàn)論證之后確定。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)水閘閘門全開(kāi)、宣泄最大洪水流量等運(yùn)行條件的水力模型試驗(yàn)研究，提出了低水頭水閘下游消力池長(zhǎng)度的計(jì)算方法：

(1) 水閘閘門全開(kāi)、宣泄最大洪水流量Qm運(yùn)行時(shí)，若hs/H<0.8(水閘出流為自由出流)，應(yīng)采用Qm，按水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[1]等計(jì)算和選取消力池的長(zhǎng)度。

(2) 水閘閘門全開(kāi)、宣泄最大洪水流量Qm運(yùn)行時(shí)，若hs/H≥0.8(水閘出流為淹沒(méi)出流)，閘下游水躍長(zhǎng)度較短或呈無(wú)水躍狀態(tài)，此時(shí)，應(yīng)采用水閘上游正常蓄水位、閘門控泄最大開(kāi)度em泄量的運(yùn)行工況，計(jì)算和選取消力池長(zhǎng)度。

本文研究成果已應(yīng)用于工程實(shí)踐，在確保工程安全運(yùn)行的前提下，可大大節(jié)省工程投資，工程效益較為顯著，成果可供工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行參考。