低水頭水閘不護底消力池消能防沖研究

蒙文賓，楊 磊，曾 丹，李 昊(水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

底流消能設計原理是采取一定的工程措施促使下泄水流在限定范圍內發生水躍，通過水流的內部摩擦、摻氣及碰撞消耗能量，通過水躍后的水流以緩流狀態進入下游，從而達到對下游河床和兩岸岸坡的保護，進而確保整個水利工程的安全。但低水頭水閘下泄水流普遍存在弗勞德數較小、消能率低、水躍不穩定及對下游沖刷嚴重等問題，故消能防沖成為該類水閘設計的重要環節，不可避免的增加了混凝土工程量和成本投入。對于低水頭水閘，多采用護底消力池來消殺下泄水流能量，并常在底流消力池中添加輔助消能工以求達到良好的消能效果。當前，國內外對護底消力池研究較為成熟，常用的底流消力池有ISI 型、USBR-Ⅳ型、SAF 型和T 型等若干種形式，其中在國內應用最廣泛的T型墩消力池具有池長短、消能效率高、池后水深低、消能穩定、經濟效益顯著以及適應較大尾水變幅等優點[1,2]。王海軍等研究結果表明跌坎型底流消能工能有效解決高水頭、大單寬流量消力池水力學指標過高的問題[3]。王均星在底流消能研究中發現趾墩、消力墩、尾檻都對縮減消力池的長度、消減高速水流能量起到很大作用[4]。張春財等研究認為采用寬尾墩和消力池聯合消能，能較好地解決消力池內水流流態不穩定的現象[5]。烏東德水電站消能區巖石堅硬、抗沖刷能力強，長江設計公司充分利用壩下水墊塘的優越條件，首次提出“護岸不護底”的消能方案[6]，但對于低水頭水閘基巖巖性較好，直接利用開挖后的基巖作為消力池底板而不進行護底的研究很少見。

鄧軍等研究表明，將巖塊搬到下游造成沖坑的決定因素是水流速度。在實際工程中，一般用水流流速與基巖抗沖流速來判斷基巖是否發生沖刷，并給出了考慮基巖破壞后不同巖塊特性下的抗沖流速計算公式[7]。本文以幸福堰攔河閘除險加固設計為依托，充分考慮其優越的地質條件，以巖石抗沖流速理論和水力學計算以及數值模擬相互印證，從而判定采用消力池不護底消能的科學合理性。

1 工程概況及消力池設計

1.1 工程概況

幸福堰攔河水閘始建于1973年，位于咸寧市汀泗河流域中下游，地處咸安區汀泗橋鎮西河村。水閘主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級。為徹底根除水閘的隱患，確保水閘以及堤防的行洪安全，更好地發揮工程的經濟效益和社會效益，對幸福堰攔河水閘工程進行了全面除險加固設計。加固后水閘從右岸到左岸分別為新建1孔灌溉閘、新建實用堰、新建3孔攔河閘、原實用堰；樞紐工程順水流向布置：鋪蓋、攔河閘+灌溉閘+實用堰、消力池斜坡段、消力池水平段及海漫。新建灌溉閘底高程為22.30 m，攔河閘底高程20.60 m，閘頂高程26.00 m，實用堰堰頂高程23.40 m，攔河閘段兩岸導墻高程為26.00 m，消力池段兩岸導墻為25.15 m；攔河閘正常擋水位為上游23.40 m，下游水位19.80 m；設計洪水標準為20 a一遇，相應設計入庫洪峰流量為582.00 m3/s，上游水位為25.23 m，下游水位為24.80 m；校核洪水標準為50 a一遇，相應設計入庫洪峰流量為780.00 m3/s，上游水位為25.50 m，下游水位為25.45 m[8]。因設計水頭4.63 m<30.00 m，故此水閘為低水頭水閘[9]。幸福堰攔河水閘平面布置圖如圖1所示。

圖1 水閘平面布置圖(高程：m，尺寸：mm)Fig.1 The plane arrangement chart of sluice(Elevation: m, Size:mm )

1.2 地形地質條件

本區域內以低山、丘陵地貌形態為主，河谷多為“U”型谷。根據地質勘察報告：河道表層分布沖積砂卵石，厚度為0.15～0.93 m，其下為二疊系灰巖，不存在低臨谷分布。原實用堰段下游基巖面高程19.20 m，新建實用堰段下游基巖面高程19.40 m，攔河閘段下游基巖面高程18.50 m，海漫基巖面高程19.40 m。原灌溉閘、攔河閘以及新建水閘基礎均直接坐落于弱風化灰巖上。河床基巖較為堅硬，整體結構好，其抗沖流速為11.00～13.00 m/s，可界定為難沖基巖，承載力為800.00 kPa。

1.3 消力池設計及布置

根據閘址地質情況、水力條件、閘門調控運行方式等因素綜合分析，水閘消能布置形式采用下挖式消力池，與閘底板通過坡度為1∶4的斜坡面銜接。由于閘址河床灰巖堅硬，整體結構好，抗沖能力強，因此將消力池段直接開挖至基巖面，作為消力池底板。

通過小流量初排工況進行消力池水力計算，即上游正常擋水位23.40 m，下游最低水位19.40 m時開閘排水，計算開啟1孔、2孔、3孔，閘門依次每級提升高度0.30、0.60、0.90、…、2.10 m，分別計算排水過程(閘孔出流或堰流)及相應下游共軛水深，判斷下游是否產生淹沒水躍，尋找最不利工況，確定消力池尺寸[10]。

水閘消能防沖計算成果見表1。

由消能防沖計算可知：最大消力池池深0.82 m，最大消力池底板長度12.31 m。由于攔河閘段下游基巖面頂高程為18.50 m，左右兩側溢流堰段下游基巖面高程分別為19.20和19.40 m，故新建消力池底板高程在各建筑物后并不相同，呈與基巖面高程相適應的階梯狀。其開挖深度在攔河閘段為0.93 m、左右兩側溢流堰段下游分別為0.20和0.60 m。攔河閘段消力池水平段長度13.00 m，斜坡段水平投影長度8.40 m，消力池總長21.40 m，池深0.90 m，以1∶9.5的坡度與左右兩側消力池底板銜接。幸福堰攔河水閘消力池平面布置圖詳見圖1。

表1 水閘消能防沖計算成果Tab.1 The calculation results of the sluice'sdissipation and anti-scouring

2 消力池消能防沖數值模擬

雖然由水力學計算以及地質條件確定出幸福堰水閘采用不護底消力池形式，并對其具體尺寸進行了設計，但水閘下泄水流水力特性較為復雜，為了驗證水力計算的準確性以及進一步了解不同工況下的消力池水力特性，選用Flow-3D對消力池消能防沖進行了數值模擬計算。

從水力計算中選擇了幾組典型工況進行數值模擬，具體工況和參數詳見表2。

表2 數值模擬工況Tab.2 Condition of numerical simulation

2.1 模型建立及網格劃分

Flow-3D能導入諸多CAD軟件建立的幾何模型stl文件，在catia中建立幾何模型并導入Flow-3D中進行網格劃分，幾何模型及網格劃分布置見圖2，網格尺寸為x=y=z=0.22 m，總網格數約390.00萬個。

圖2 幾何模型示意圖及網格劃分Fig.2 The schematic diagram of geometric model and mesh generation

2.2 初始邊界條件及數值計算方法設定

3種工況下初始條件壓力均采用靜水壓力。上下游均為壓力邊界，流體體積分數為1，水位分別為23.40和19.80 m；底部及左右兩側均為壁面邊界；頂部為壓力邊界，流體體積分數為0。紊流模型采用RNGk-ε模型，壓力求解器選用廣義極小殘差算法(GMRES)，基于壓力隱式求解法(Implicit)；計算結果數據輸出間隔1 s，輸出數據有流速、壓力、水的體積分數、自由液面高程、摻氣量等[11]。

3 計算結果分析

3.1 流態及水面線

為驗證水力計算與數值模擬結果的可靠性，以上游閘墩水流入口處為起點，將主流方向水深計算結果和數值模擬結果進行了對比，如表3所示，并繪制了三種工況下主流的水面線，如圖3所示。

表3 主流方向水深計算結果Tab.3 Calculation results of water depth in main flow direction

圖3 主流水面線Fig.3 The main flow's water surface profile

通過對比分析，兩者的計算結果比較吻合：下泄水流與消力池尾坎碰撞后在消力池內發生水躍和擴散，消力池內水躍充分，靠近尾坎主流兩側產生的回流(最大流速2.50 m/s)擴散到兩岸導墻后再次折返流向下游；工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ發生水躍的起點位置距離消力池入口分別為6.40、4.40、0.70 m，水面線雍高最高為2.30 m(工況Ⅰ)，最低為1.40 m(工況Ⅲ)。消力池出口水流迅速跌落進入海漫，海漫段水流分布均勻，流態穩定，沒有太大波動向下游傳播。以工況Ⅲ為例，消力池底部流態較穩定，回流和湍動主要發生在中部和表面，水流在流出消力池尾部后的湍動能趨近于零，說明具有較高消能率，主流湍動能見圖4。

圖4 主流湍動能(單位：kg·m2/s2)Fig.4 The main flow's turbulent kinetic energy

3.2 流速大小及消能效果

以上游閘墩水流入口處為起點，將主流方向流速計算結果和數值模擬結果進行了對比，如表4所示，并繪制了三種工況下主流的平均流速，如圖5所示。

表4 主流方向水流平均流速計算結果 m/sTab.4 Calculation results of mean velocity in main flow direction

圖5 主流流速Fig.5 The main flow's velocity

通過對比分析，兩者的流速大小比較吻合：水流從閘墩尾部到水躍發生前，主流流速逐漸增大。其中，在閘墩尾部流速最小為5.30～5.53 m/s(工況Ⅰ)，最大為7.20～8.10 m/s(工況Ⅲ)；消力池入口處流速最大為8.60～9.02 m/s(工況Ⅱ)，在躍前水深h1處流速最大為8.81～9.34 m/s(工況Ⅰ)，在水躍發生段由于水流旋滾和相互碰撞消殺大部分能量促使流速急劇下降到2.41～2.44 m/s(工況Ⅰ)，水流從尾坎進入海漫由于水面跌落使得流速增大為2.50～4.00 m/s。各工況下消力池內主流最大流速為8.81～9.34 m/s(工況Ⅰ)小于基巖抗沖刷流速(11.00～3.00 m/s)。

不同工況下消力池消能效率對比如表5所示，消力池效能效果明顯。

表5 消能效率對比Tab.5 The comparison of energy dissipation's efficiency

4 結 語

通過幸福堰攔河閘在不同工況下的水力計算和數值模擬結果可知，下泄水流在消力池內發生水躍和擴散，消力池內水躍充分。池內主流兩側雖有回流，但沒有不良流態產生，水流進入海漫后流速較低，波動不大，消力池消能效果明顯。消力池內最大流速未超過基巖抗沖流速，說明在地質條件優越的基巖上采用不護底消力池完全能滿足消能防沖要求，同時也為類似低水頭水閘消能工程提供了設計支撐與參考。由于本工程屬中小型水閘，并未進行水工模型試驗，若為大(1)型、大(2)型或中型水閘，則必須輔助水工模型試驗分析論證。

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