泗陽節制閘水力學模型試驗研究

呂曉波，張小童，王 亮

（江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 工程概況

泗陽節制閘建于上世紀60年代，位于泗陽縣城東南約2.0 km處的京杭運河上。工程等別為Ⅱ等，主要建筑物設計標準為2級，水閘共布置17孔，每孔凈寬4 m，孔高6 m。閘底板高程12.0 m，設計流量1000 m3/s，是中運河段梯級控制之一。經過50余年運行，雖然經多次加固處理，但仍存在嚴重安全隱患，進行拆除重建。

新建泗陽節制閘位于老閘下游約50 m處，按排洪50年一遇設計，100年一遇校核，設計校核排洪流量1000 m3/s，建成后將全面提升中運河段的防洪、排澇、灌溉、發電等綜合功能。新建泗陽節制閘共7孔，單孔凈寬10 m，采用新型圓角梯形堰，堰頂高程11.5 m，上游堰高3.0 m，采用弧形閘門進行閘孔的泄流控制。

2 斷面物理模型試驗

2.1 模型設計

2.1.1 模型相似準則及設計制作

模型試驗按試驗規程[1]中的相關規定執行。模型按重力相似準則設計[2]，同時兼顧阻力相似，幾何正態。根據試驗要求，采用模型長度比尺λL=25，相應流速比尺:λV=250.5=5；流量比尺:λQ=252.5=3125；；糙率比尺:λn=251/6=1.71。

模型包括供水系統、量水堰、斷面模型和尾水系統，全長約20 m。斷面模型選取2孔閘寬進行模擬，上游模擬至閘前約130 m處，下游模擬至閘下約150 m處。建筑物模型全部依照設計圖紙按比例用有機玻璃板精制。有機玻璃板糙率為0.0075～0.008，相當于原型混凝土糙率0.0132左右。河道用水泥砂漿抹面，糙率為0.012左右，相當于原型河道糙率0.020左右。模型水槽平面尺寸控制精度±2 mm，建筑物尺寸控制精度±0.3 mm，安裝高程誤差小于±0.3 mm。制作完成的模型見圖1。

圖1 斷面模型

2.1.2 測量儀器

模型試驗由循環式供水系統供水。循環式供水系統由蓄水庫、水泵房、平水塔、供水管及回水槽等組成。蓄水庫容積2000 m3，平水塔容積200 m3，塔內設置平水設施。模型中各水力參數由211工程三期升級改造的水工混合模擬系統進行控制和量測，該混合模擬系統可同時對模型供水流量、64點流速、32點水位以及8個口門進行同步實時跟蹤測量及控制。模型下游水位采用插板式尾門進行控制。

（1）流量測量

模型進水側流量采用電磁流量計作為一次儀表，由計算機進行控制與采集，出水側采用標準矩形薄壁堰對流量進行校核，以提高流量測量的可靠性和精度，堰頂與測針零點誤差小于0.2 mm。

（2）水位、水面線測量

庫水位和下游河床水位均采用測針筒引出后利用測針進行量測，測針量測精度為0.1 mm。水面線采用鋼尺進行直接測量。

（3）流速流態測量

泄水建筑物等泄槽及洞身內流速通常比較大，采用畢托管進行測量。下游河道流速在流速方向比較確定的區域采用光電旋槳式流速儀測量，并由計算機進行多點同步采集，旋槳式流速儀起動流速為0.025 m/s。局部流速采用直讀式旋槳流速儀進行測讀。

水流流態采用直接量測、數碼攝像、照相相結合的方法記錄和分析。

2.2 節制閘泄流能力試驗

2.2.1 閘門全開運行泄流能力

當閘門全開運行時，過閘水流為堰流，下泄流量隨上下游水位變化，試驗中分別測得不同上下游水位下的過閘流量，并按下式計算：

式中：m為考慮行近流速水頭、下游淹沒和側收縮影響的綜合流量系數；H為上游堰頂（堰頂高程11.5 m）以上水頭，m；B為2閘孔凈寬（2×4.0=8.0 m）；Q為過閘流量，m3/s。

整理后的試驗結果表明，綜合流量系數與相對淹沒度hS/H（hS為下游堰頂以上水深）具有較好的相關關系（點繪于圖2）。

圖2 堰流綜合流量系數與相對淹沒度關系曲線

從圖2可看出，節制閘閘門全開運行時綜合流量系數與相對淹沒度的關系雖然總體規律較好，但與傳統水閘堰流相比試驗點較為離散，根據試驗流態的觀察分析認為，堰流情況下，閘上水位點位于老閘底板和新閘底板之間，上游水位點水位受老閘的影響水面波動較大，流量系數的精度受到一定程度影響，而且難以準確得到自由堰流時的流量系數。

2.2.2 閘門局部開啟泄流能力

閘門局部開啟運行視下游水位對閘孔出流的影響可分為閘孔自由出流和淹沒出流兩種狀態。

自由孔流流量按下式進行計算[3]：

式中：μ為自由孔流流量系數；B為2閘孔凈寬（2×4.0=8.0m）；e為閘門開啟高度，m；H為堰頂以上水頭，m。

試驗數據表明，μ與e/H有良好的相關關系，試驗數據點繪于圖3，為了使用方便，擬合成以下公式：

圖3 自由孔流流量系數與關系曲線

淹沒孔流流量按下式進行計算：

式中：CS為淹沒孔流流量系數，其它符合同前。

試驗結果表明，CS與hS/e有良好的相關關系（見圖4）。利用回歸分析可以得到：

圖4 淹沒孔流流量系數與關系曲線

2.3 節制閘上下游水流流態

節制閘上下游水流流態主要受邊界、上下游水位以及閘門開啟方式的影響，理論上只有完整水閘的水力學模型試驗才能預演過閘的水流流動結構，得到與原型一致的水流流態。斷面模型的水力學模型試驗可以了解過閘水流的二元流動。

2.3.1 特征水位節制閘上下游水流流態

特征水位工況（校核、設計）下泄1000 m3/s流量時，由于水閘上下游水位差較小，水閘的出流屬于淹沒孔口出流狀態。試驗觀察到，閘前來流較為平穩，水面波動較小。出閘水流波動也不大，圖5、圖6分別為校核、設計工況時水閘上下游的水流流態。

圖5 校核洪水閘上、下游水流流態

圖6 設計洪水閘下水流流態

2.3.2 堰流出流節制閘下游水流流態

自由堰流出流時，閘下消力池能形成內形成完整的水躍，水流消能充分，淹沒堰流時，閘下只能產生波狀水躍，消能效果減弱（見圖7）。

圖7 自由、淹沒堰流閘下水流流態

2.3.3 自由孔流閘下水流流態

自由孔流閘下的出流流態與自由堰流相似，能在消力池內形成完整的水躍，消能充分（圖8）。

圖8 自由孔流閘下水流流態

3 節制閘立面二維水流數值模擬

為進一步研究節制閘過流時水流流場結構，為節制閘運行和調度提供依據，進行節制閘立面二維水流數值模擬研究。

3.1 節制閘上下游流速分布

典型計算工況下節制閘上下游水流流速分布見圖9～圖13。

圖9 節制閘上下游水流流態（校核工況）

圖10 節制閘上下游水流流態（設計工況）

圖11 閘門相對開度0.75時水閘上下游水流流態（設計洪水位）

圖12 閘門相對開度0.50時水閘上下游水流流態（設計洪水位）

圖13 閘門相對開度0.25時水閘上下游水流流態（設計洪水位）

3.2 節制閘上下游流速等值線圖

各計算工況下節制閘上下游水流流速等值線見圖14～圖17。

圖14 水閘上下游水流流速等值線圖（設計工況）

圖15 閘門開度0.75時水閘上下游水流流速等值線圖（設計洪水位）

圖16 閘門開度0.5時水閘上下游水流流速等值線圖（設計洪水位）

圖17 閘門開度0.25時水閘上下游水流流速等值線圖（設計洪水位）

3.3 節制閘上下游水面線

圖18～圖22給出了各計算工況下節制閘上下游水流水面線變化情況。

圖18 水閘上下游水位圖（設計工況）

圖19 水閘上下游水位圖（校核工況）

圖20 閘門相對開度0.75時水閘上下游水位圖（設計洪水位）

圖21 閘門相對開度0.5時水閘上下游水位圖（設計洪水位）

圖22 閘門相對開度0.25時水閘上下游水位圖（設計洪水位）

4 結語

本文基于水槽斷面模型觀測與分析了新型圓角梯形堰在各種出流（堰流、孔流）方式下的泄流能力規律；基于立面二維水流數學模型，運用FLOW-3D軟件模擬了節制閘不同泄流方式閘下水流的流動規律。試驗結果和數值模擬結果可為節制閘的運行管理及優化調度提供科學依據。