某泄洪閘溢流堰消能結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案淺析

朱 江

（伊犁哈薩克自治州喀什河流域管理處，新疆 伊寧 835000）

1 工程概況

為應(yīng)對黃河凌汛災(zāi)害，內(nèi)蒙古自治區(qū)在沿黃凌汛災(zāi)害比較嚴重的河段規(guī)劃興建防凌分洪區(qū)6處，烏蘭布和分洪區(qū)就是上述6個分洪區(qū)之一[1]。分洪閘是分洪區(qū)建設(shè)的重要節(jié)點性工程，當凌汛來臨時，分洪閘開閘分洪，將凌汛洪水放入分洪區(qū)，以降低黃河凌汛期的洪水壓力，在凌汛結(jié)束后，再分洪區(qū)內(nèi)的水回退至黃河，以保證黃河的水量[2]。該分洪閘共設(shè)置單孔凈寬為6.0 m的7孔溢洪道，溢流控制段采用實用堰性，閘室長16.10 m，寬35.60 m，堰頂和底板高程分別為1014.50 m和1010.20 m，分洪閘的下游設(shè)兩級消力池。其中，一級消力池為曲線溢流堰型，池長18.00 m，二級消力池為斜坡消力池，池長為29.80 m，斜坡段的坡比為1∶4，斜坡上設(shè)置三道消力坎，消力池的末端設(shè)置長度為65.00 m的海漫，海漫上游設(shè)置一道消力坎。

2 試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計與制作

2.1 模擬范圍

根據(jù)需要和工程現(xiàn)狀，模型試驗的模擬范圍為分洪閘上游250.0 m，下游400.00 m，模型的寬度為分洪閘兩側(cè)堤防之間的寬度，以保證模型試驗過程中的水流相似性要求[3]。

2.2 模型設(shè)計

對溢流堰的消能結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，保證工程的正常使用和安全運行，需對整體模型進行試驗，分析消能部分的局部流態(tài)。考慮試驗場地因素和相關(guān)規(guī)范的具體要求，設(shè)定水工試驗?zāi)Ｐ偷膸缀伪瘸邽?0[4]。為有效模擬工程運行中的水流流態(tài)特征，模型采用PVC灰板制作，其中閘室和消力池段等過水關(guān)鍵部位利用有機玻璃制作，以滿足水流紊動阻力相似性需求，模型制作過程中要求高程誤差小于2 mm，平面誤差小于10 mm[5]。模型設(shè)計平面圖見圖1。水位監(jiān)測采用DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)；斷面流速分布采用DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)和畢托管聯(lián)合監(jiān)測測量；底板壓強采用采用測壓管測量，測點布置見圖2；水流流態(tài)采用高倍像素相機拍攝[6]。

圖1 模型設(shè)計平面圖

圖2 測壓管測點布置示意圖

2.3 試驗工況

根據(jù)模型試驗的基本要求和相關(guān)研究成果，選取不同水位高度和閘門開度分析溢流堰的消能效果，試驗工況見表1。

表1 試驗工況表

3 溢流堰結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案試驗

3.1 原設(shè)計方案試驗結(jié)果分析

利用模型試驗方法，在工況1及工況2、閘門開度為0.5 m條件下對原設(shè)計方案溢流堰消能效果進行分析，結(jié)果見表2。根據(jù)試驗結(jié)果可知：原設(shè)計方案，一級消力池溢流堰表面部分部位存在負壓現(xiàn)象，且主要集中于1號和2號測點，但是負壓值相對較小；位于消力池底板部位的3號、4號、5號和6號測點為正壓。結(jié)果說明一級消力池的消能效果比較理想，可以有效減輕二級消力池的消能壓力；在二級消力池斜坡部位的7號測點存在急流區(qū)，在消力坎后的8號和9號測點也存在比較明顯的負壓，水流紊動情況十分明顯；位于二級消力池下游的水躍區(qū)的10號、11號和12號測點為正壓；13號和14號測點位于海漫段，由于受到消力坎的作用，急流情況不怎么明顯。

表2 各測點的測壓管讀數(shù)與水面標高的差值 單位：m

在試驗中對不同工況、不同閘門開度條件下的消力池底板和部分海漫段底板壓力進行測量。結(jié)果見表3。結(jié)果顯示不同閘門開度下，兩級消力池的部分部位均存在負壓；在閘門開度1.3 m、試驗工況3條件下，二級消力池的斜坡面出現(xiàn)比較大的負壓，越過下游消力坎后的海漫段存在一段十分明顯的急流。說明消力池的消能效果并不理想，需要對消能結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化。

表3 不同閘門開度下原方案各測點的測壓管讀數(shù)與水面標高的差值 單位：m

3.2 二級消力池堰面優(yōu)化設(shè)計

由表2的原設(shè)計方案的模型試驗結(jié)果顯示，二級消力池的消能效果并不理想，雖然消力坎具有顯著的消能效果，但是出池水流仍為急流。鑒于原設(shè)計方案中的一級消力池采用的是曲線型溢流堰，并且在模型試驗中顯示出良好的消能效果，因此將模型的二級消力池結(jié)構(gòu)形式設(shè)計為曲線型溢流堰[7]。

開敞式堰面一般采用WES冪曲線，可按如下公式計算：

式中：Hd為定型設(shè)計水頭，m；k為系數(shù)；n為與上游堰坡有關(guān)的指數(shù)。

由于一級消力池內(nèi)的水流紊動會對曲線參數(shù)的選擇造成影響，因此在設(shè)計中以原方案設(shè)計中的部分測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，取定型設(shè)計水頭為3.7 m，上游堰高為1.8 m，k取2.2，n取1.85，得到的堰面曲線方程為：

堰面曲線的半徑根據(jù)下游堰高和設(shè)計水頭確定，計算結(jié)果為1.9 m，反弧段的角度為50°，設(shè)計曲線見圖3[8]。

圖3 堰面曲線設(shè)計示意圖（cm）

3.3 優(yōu)化方案試驗結(jié)果分析

按照優(yōu)化后的消力池溢流堰結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，重新進行模型制作并進行試驗，將試驗結(jié)果與原設(shè)計方案的試驗結(jié)果進行對比分析。

3.3.1 閘下消能試驗分析

為驗證優(yōu)化效果，在工況1及工況2、閘門開度0.5條件下進行模型試驗，各測點的測壓管讀數(shù)與水面標高的差值見表4。由表4可知，上游溢流面的還存在負壓，但是負壓值明顯減小，一級消力池的水流紊動現(xiàn)象有所減輕，3號測點的正壓值減小。二級消力池的7號和8號測點部位為急流區(qū)，存在可以允許的負壓。10號、11號和12號測點水流比較平穩(wěn)，使下游消能壓力大為減輕。13號和14號壓力變化不大，但是消力坎坎后的水流流態(tài)更為平穩(wěn)。

表4 各測點的測壓管讀數(shù)與水面標高的差值 單位：m

3.3.2 水流形態(tài)觀測分析

對試驗過程中水流流態(tài)進行觀測，優(yōu)化后的設(shè)計方案溢流堰東部存在部分急流區(qū)，工況1條件下海漫斜坡段的第一道消力坎坎前存在急流區(qū)看，長度為2 cm左右，但是較原型方案中100 cm長的急流區(qū)相比有明顯減小；在工況2條件下該部位的急流區(qū)長度為4 cm，較原型中200 cm長的急流區(qū)相比也有顯著減小。由此可見，將泄洪閘二級消力池改為曲線溢流堰后，有助于能量的消散，因此急流區(qū)長度大幅縮短，不會對工程的安全運行造成不利影響。總體來看，泄洪閘上游流態(tài)較好，泄洪閘下游的流態(tài)也較為平順，不存在明顯的回旋區(qū)。

3.3.3 不同開度下的閘下消能分析

為了進一步驗證優(yōu)化方案的消能效果，在不同工況和不同閘門開度條件下進行模型試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，獲得各測點的測壓管讀數(shù)與水面標高的差值，結(jié)果見表5。由表5可知，一級和二級消力池的溢流面上的測點1和測點2存在負壓，在工況2、開度1.3 m條件下，二級消力池的斜坡面的測點7～測點9存在負壓，但是負壓的值不大，不會對泄水閘的運行產(chǎn)生不利影響，與原始設(shè)計方案相比，負壓和急流現(xiàn)象有明顯縮小。

表5 不同閘門開度下優(yōu)化方案各測點的測壓管讀數(shù)與水面標高的差值 單位：m

4 結(jié)論

水閘的設(shè)計要滿足泄流要求，還要滿足消能防沖。本文以烏蘭布和分洪區(qū)某分洪閘為研究對象，利用物理模型試驗對不同結(jié)構(gòu)形式的消能效果進行分析，可獲得的如下結(jié)論：

1）對水閘原設(shè)計中的單曲線溢流堰消能結(jié)構(gòu)進行模型試驗，認為原設(shè)計水流流態(tài)不理想，消能效果不能滿足實際要求，需要進行優(yōu)化設(shè)計。

2）原設(shè)計方案的模型試驗結(jié)果顯示，二級消力池的消能效果并不理想，因此將模型的二級消力池結(jié)構(gòu)形式設(shè)計為曲線型溢流堰。

3）對優(yōu)化方案進行模型試驗，結(jié)果顯示水流流態(tài)十分平穩(wěn)、急流區(qū)范圍減小長度縮短，消能效果可以滿足設(shè)計要求。