低水頭水閘下游消力池長度優化研究

黃智敏, 付 波, 陳卓英

(廣東省水利水電科學研究院 廣東省水動力學應用研究重點實驗室， 廣東 廣州 510635)

1 研究背景

低水頭水閘運行特點為泄洪流量大、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條件下，根據工程具體條件，可先計算和確定水閘下游消力池的池末端尾坎頂高程、池深等，然后再計算和確定消力池長度。水閘下游消力池末端尾坎頂高程、池深等計算和確定方法可參考文獻[1-4] ，但目前國內有關水閘下游消力池合理池長的研究成果仍較少[5-10]。

水閘下游消力池池長通常可按文獻[1] 建議的公式計算，但由于水閘下游消力池的水流條件較復雜，水閘出流條件(自由出流、淹沒出流)對閘下游流態和水躍長度影響較大，若不正確區分水閘下游的流態，則計算得出的消力池池長明顯不合理，會增加工程投資和造成浪費。

本文結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研究成果[11]，在水閘閘門全開泄流(即閘門全開敞泄，下同)的下游出流流態判別的基礎上，提出了低水頭水閘下游消力池合理長度的計算和選取方法。

2 消力池長度計算和分析

常規水閘下游消力池長度計算公式為公式(1)～(4)[1，12]，相應的消力池體型和水力參數見圖1。

圖1 水閘下游消力池體型和水力參數示意圖

消力池長度Lsj

Lsj=Ls+βLj

(1)

水躍長度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度，m；β為水躍長度校正系數，可取0.7～0.8；h1為消力池進口收縮斷面水深,m；q為泄流單寬流量,m3/(s·m)；E0為以消力池底板為基準計算的總水頭,m；φ為流速系數；g為重力加速度,m/s2；h2為躍后水深,m；α為水流動量校正系數，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關系等水力參數條件下，就可以計算出消力池底板總水頭E0、消力池的水躍參數(如h1、h2及Lj) 等，從而可進一步計算出消力池長度Lsj。

由公式(2)分析，正常水躍的躍長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，消力池水平段長度βLj隨q增加而增大，其通常可由水閘最大泄洪流量Qm來確定。對于平原地區河流或閘上、下游水位差較小的水閘，在水閘閘門全開泄流、最大泄洪流量Qm運行時，其上、下游水位差較小(計算閘孔總凈寬時，平原區水閘的過閘水位差可采用0.1～0.3 m[1])，出閘水流多呈波狀的明渠流流態，閘下游消力池無水躍產生。此時，若不正確判別水閘出流流態，籠統按Qm計算的消力池長度會明顯偏大，從而造成工程量增加和投資浪費。

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

圖2是高嶺攔河水閘重建工程水力模型試驗研究的下游消力池推薦方案剖面圖，攔河閘共設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、水平段長度22.5 m。攔河閘下游消力池水力模型試驗在60 cm寬的玻璃水槽中進行，水力模型按重力相似律設計為正態，幾何比尺Lr=46.67。為了分析下游消力池長度的合理性，進行了水閘閘門兩種運行開啟工況的試驗比較：(1)水閘閘門全開、泄放最大洪水流量(校核洪水流量，P=0.5%)運行；(2)水閘上游為正常蓄水位(8.20 m)、控泄運行的最大閘門開度em運行。

圖2 高嶺水閘下游消力池布置剖面圖(單位：m)

2.1 閘門全開運行的消力池流態試驗

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的水力模型試驗水力參數見表1，閘下游運行的流態和流速分布見圖3～5。

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

表1 高嶺水閘及消力池運行水力參數 m

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

圖3 水閘下游消力池流態和流速分布示意圖(Z=5.00、6.00m)

(2)當閘下游河道水位上升為Z=7.00～8.00 m時，其下游水深(ht+d)>h2、且hs/H<0.8 (H為閘室堰頂的上游水深，hs為以閘室堰頂為基準的下游河床水深)，此時，出閘水流仍為自由出流，消力池內逐漸形成穩定的水躍，池內水躍長度隨閘下游相對水深hs/H增加而減小，即池內躍尾斷面隨hs/H增加往上游移動(見表1和圖4)。

(3) 當Z=8.50 m(hs/H=0.8)時，出閘水流為自由出流和淹沒出流的臨界狀態 (或稱淹沒出流[12])，池內躍尾斷面位于約樁號0+053 m斷面。隨著閘下游水位Z繼續增加，池內水躍長度減短，躍尾斷面向消力池上游移動。當閘下游河道水位上升至Z=9.00～10.00 m (hs/H=0.88～0.98，淹沒出流)，消力池內無水躍、呈波狀的明渠流流態；受水閘閘室平底堰的影響，下游消力池上游段底部出現局部回流區，主流在消力池水流的上部(見表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) 運行條件下，閘上、下游水位差△Z<0.1 m，出閘水流無水躍產生，閘下游呈波狀的明渠流態[11](見圖6)。

圖4 水閘下游消力池流態和流速分布示意圖(Z=7.00、8.00m)

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

圖6 水閘下游消力池流態和流速分布示意圖(Z=12.16m)

2.2 閘門局部開啟、控泄運行的消力池流態試驗

在水閘上游正常蓄水位8.20 m、閘門最大開度em=0.75 m(Z=3.52 m)的泄流運行工況下，其下游消力池的流態和流速分布見圖7。測試的消力池水躍躍尾斷面樁號約為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，自由出流和淹沒出流的臨界狀態)相應的水躍長度要長。

圖7 水閘下游消力池流態和流速分布示意圖

2.3 試驗成果分析

采用相關的水閘下游消力池計算公式[1，12]，對高嶺水閘下游消力池長度進行計算，計算結果見表2，對計算結果分析如下：

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

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

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

(3) 經綜合分析各種泄流工況的水閘下游流態和池長等，并取一定的安全系數，高嶺水閘重建工程下游消力池水平段長度選取為22.5 m ，為閘上游正常蓄水位8.20 m、閘門控泄最大開度em=0.75 m計算的水躍長度Lj的1.09倍(見圖2)。

表2 水閘下游消力池長度計算表

注：h1、Fr1為消力池水流收縮斷面的水深和佛氏數。

3 消力池長度的合理選取方法分析

在水閘閘門全開、泄洪流量一定的條件下，水閘下游流態和水躍長度與其下游河道水位Z有關。在水閘下游消能設計Z～Q關系確定的條件下，水閘下游消力池水平段長度βLj應考慮以下的因素進行選取：

(1)水閘閘門全開、宣泄最大洪水流量Qm運行時，若hs/H<0.8(水閘出流為自由出流)，應采用Qm，按文獻[1] 等計算和選取消力池長度。

(2)水閘閘門全開、宣泄最大洪水流量Qm運行時，若hs/H≥0.8(水閘出流為淹沒出流)，閘下游水躍長度較短或呈無水躍狀態，此時，不應采用Qm計算和選取消力池長度，而應采用水閘上游為正常蓄水位、閘門控泄最大開度em的泄量計算和選取消力池長度。

在此運行條件計算消力池長度時，為了確保工程的安全運行，閘門控泄最大開度em對應的閘下游河道水位Z應選取低一級閘門開度泄流穩定之后的下游水位[13](如高嶺水閘重建工程在正常蓄水位8.20 m條件下，閘門控泄的每一級閘門開度間隔設置為△e=0.25 m，其閘門控泄最大開度em=0.75 m運行對應的Z應選取閘門開度e=0.5 m泄流穩定之后的下游河道水位)；同時，為了確保工程的安全運行，建議消力池水平段長度βLj的水躍長度校正系數β取1.0。

在實際計算中，為了方便正常蓄水位、閘門控泄條件下消力池長度的計算和選取，通常可根據閘門控泄的各級開度e分別計算消力池的長度(計算中，各級閘門開度e運行的Z為低一級閘門開度泄量對應的下游河道水位；同時，水躍長度校正系數β取1.0)，選取計算的最大值為消力池長度。

(3) 按照文獻[1]，對于大型工程的下游消力池布置和體型尺寸，應通過水力模型試驗論證之后確定。

4 結 論

本文根據水閘閘門全開、宣泄最大洪水流量等運行條件的水力模型試驗研究，提出了低水頭水閘下游消力池長度的計算方法：

(1) 水閘閘門全開、宣泄最大洪水流量Qm運行時，若hs/H<0.8(水閘出流為自由出流)，應采用Qm，按水閘設計規范[1]等計算和選取消力池的長度。

(2) 水閘閘門全開、宣泄最大洪水流量Qm運行時，若hs/H≥0.8(水閘出流為淹沒出流)，閘下游水躍長度較短或呈無水躍狀態，此時，應采用水閘上游正常蓄水位、閘門控泄最大開度em泄量的運行工況，計算和選取消力池長度。

本文研究成果已應用于工程實踐，在確保工程安全運行的前提下，可大大節省工程投資，工程效益較為顯著，成果可供工程設計和運行參考。