楊 林，楊金濤，楊校禮，潘 源

(1.貴州省水利水電工程咨詢有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.上海市水務(wù)(海洋)局 堤防(泵閘)設(shè)施管理處，上海 200050)

新石洞水閘改造工程位于寶山區(qū)馬路河與長江交匯處，為滿足馬路河向長江排澇和從長江引水的雙重任務(wù)需要，工作閘門采用雙向翻轉(zhuǎn)式弧形門，液壓啟閉系統(tǒng)，水閘雙向擋水，動(dòng)水啟閉。工程設(shè)計(jì)內(nèi)河(馬路河)高水位3.5 m，常水位2.5～2.8 m，設(shè)計(jì)低水位2.0 m；外河(長江)設(shè)計(jì)多年平均高潮位3.26 m，多年平均潮位2.15 m，設(shè)計(jì)低水位-0.31 m。當(dāng)內(nèi)河遭遇洪水時(shí)，通過開啟閘門向外河排澇，設(shè)計(jì)內(nèi)河高水位排澇流量192 m3/s；當(dāng)內(nèi)河水源不足，通過開啟閘門從外河引水，設(shè)計(jì)內(nèi)河低水位引水流量156 m3/s。工程內(nèi)、外河最大水位差不大，屬平原水閘樞紐范疇。

本工程主要由閘室、上、下游消力池、海漫、防沖槽等部分組成。水閘布置為鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，閘底檻高程為-1.00 m，閘室長30.0 m，閘底板總寬34.4 m，單孔凈寬20.0 m，閘底板厚1.5～2.0 m。工作閘門為能上、下翻轉(zhuǎn)的弧形鋼閘門，采用液壓啟閉機(jī)控制；閘室上游側(cè)布置長22.0 m的消力池及長45.0 m的海漫，下游側(cè)布置長23.0 m的消力池及長55.0 m的海漫。

1 研究背景

傳統(tǒng)水工閘門，大多安裝在泄流建筑物上，結(jié)合溢流堰[1]進(jìn)行擋水、泄水，類型以平面閘門、弧形閘門居多[2-3]。傳統(tǒng)水工閘門運(yùn)行方式相對(duì)單一，完全開啟即可貼堰面自由下流，局部開啟便為孔口出流，閘門主要功能為控制泄水流量[4]。關(guān)于傳統(tǒng)水工閘門的過流方式和特點(diǎn)，相關(guān)研究較多[5-7]，成果也都普遍得到業(yè)界認(rèn)可。

結(jié)合新石洞水閘改造工程中，排澇、引水時(shí)要求擋水建筑可雙向過水的特點(diǎn)，水閘采用可雙向翻轉(zhuǎn)的弧形閘門。當(dāng)閘門平板面面向內(nèi)河側(cè)直立，閘門底緣高程為-1.0 m時(shí)，閘門關(guān)閉，雙向擋水，見圖1a；閘門順底板門槽向內(nèi)河側(cè)翻轉(zhuǎn)至局部開啟，平板面迎水時(shí)，水流翻過閘門跌落出流，見圖1b，此時(shí)過閘流態(tài)類似薄壁堰流；閘門繼續(xù)向上游翻轉(zhuǎn)，至門頂高程為-1.0 m時(shí)，閘門全開，水流貼平板面過流，見圖1c，此時(shí)流態(tài)為寬頂堰流；閘門雙向擋水，逆底板門槽向外河側(cè)翻轉(zhuǎn)至閘門局部開啟，水流從閘門底流向下游，見圖1d，此時(shí)過閘方式為孔口出流。圖1水面均為排澇運(yùn)行示意水面線，引水運(yùn)行時(shí)過流方向與排澇相反。

由雙向翻轉(zhuǎn)閘門的運(yùn)行方式可知，該閘門的過閘水流因啟閉狀態(tài)不同，流態(tài)可為類似薄壁堰流[8-9]、寬頂堰流[2]或孔流[10-11]；且還因其可雙向過流，同一閘門狀態(tài)，排澇、引水運(yùn)行時(shí)，迎水面不同，過閘流態(tài)與泄流能力也有差異。綜上所述，雙向翻轉(zhuǎn)弧形閘門的過閘水流形態(tài)相比于傳統(tǒng)閘門要復(fù)雜、多樣，其泄流規(guī)律已不能再采用現(xiàn)有公式[12-13, 15]進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)該閘門的運(yùn)行、啟閉方式，研究其過閘水流的泄流能力及流態(tài)等特性，對(duì)于本工程乃至其他類似水閘的設(shè)計(jì)、管理運(yùn)行都是必要的。

b)局部開啟，門頂過流

c)閘門全開，寬頂堰流

d)局部開啟，孔口出流圖1 雙向翻轉(zhuǎn)弧形閘門不同啟閉狀態(tài)下的過閘流態(tài)

2 模型設(shè)計(jì)及量測(cè)儀器

模型試驗(yàn)按水工模型試驗(yàn)相關(guān)規(guī)定[14]執(zhí)行。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧阻力相似，幾何正態(tài)。根據(jù)相關(guān)要求，試驗(yàn)采用模型長度比尺λL=20，相應(yīng)其他物理量比尺如下： ①流速比尺λV=200.5=4.47；②流量比尺λQ=202.5=1788.85；③ 糙率比尺λn=201/6=1.648。模型模擬了新石洞水閘及相關(guān)建筑物，同時(shí)還模擬了內(nèi)、外河引渠。內(nèi)河側(cè)模至防沖槽以外60 m，外河側(cè)模擬至馬路河與長江交匯處。建筑物模型全部采用有機(jī)玻璃精制，模型有機(jī)玻璃糙率約為0.008，相當(dāng)于原型混凝土糙率0.013 2。模型內(nèi)外引渠用水泥砂漿抹面，糙率約為0.012，相當(dāng)于原型河道糙率0.020。模型內(nèi)河水位測(cè)點(diǎn)布置在內(nèi)河防沖槽處，外河水位測(cè)點(diǎn)布置在外河防沖槽以外10 m的河口處。

3 試驗(yàn)方案

本文針對(duì)雙向翻轉(zhuǎn)弧形閘門不同的啟閉狀態(tài)及運(yùn)行方式，進(jìn)行了相關(guān)水工模型試驗(yàn)。試驗(yàn)方案見表1。

各試驗(yàn)方案下，試驗(yàn)時(shí)先固定試驗(yàn)流量(根據(jù)設(shè)計(jì)流量確定)，待上下游(無論排澇或引水，水流過閘前一側(cè)為上游，過閘后一側(cè)為下游)水位穩(wěn)定后，量測(cè)上下游水位，再改變?cè)囼?yàn)流量，將其作為變量值進(jìn)行試驗(yàn)。由于各方案下試驗(yàn)組數(shù)(相應(yīng)試驗(yàn)流量及相應(yīng)上下游水位)較多，本文僅列出了同類過閘方式的典型流態(tài)；同一試驗(yàn)方案下各試驗(yàn)組的過閘流量及上下游水位不同，其試驗(yàn)現(xiàn)象與典型流態(tài)稍有差異。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 閘門全開

閘門平板面水平，門弧面下臥在閘底板內(nèi)時(shí)，閘門處于全開狀態(tài)，水流沿閘門上側(cè)平板面過流，過閘形態(tài)為寬頂堰流。

4.1.1排澇運(yùn)行試驗(yàn)現(xiàn)象

圖2a為內(nèi)河水位2.80 m、外河水位1.05 m，實(shí)測(cè)排澇流量為233 m3/s的試驗(yàn)現(xiàn)象。由照片可見，水流過閘時(shí)水面稍有跌落，流態(tài)屬自由堰流；過閘后在消力池內(nèi)形成淹沒水躍，但由于上下游水位差較小，水躍發(fā)生在靠閘室的消力池前端部位。水流出池后在海漫段形成急流區(qū)。圖2b為內(nèi)河水位3.00 m，外河水位2.75 m，實(shí)測(cè)排澇流量為191 m3/s的試驗(yàn)現(xiàn)象,此時(shí)，內(nèi)外河水位相差不大，水流過閘時(shí)幾乎沒有水面跌落，出消力池后水面也較為平順，流態(tài)屬淹沒堰流。

a)自由堰流典型流態(tài) b)淹沒堰流典型流態(tài)圖2 閘門全開、排澇運(yùn)行過閘水流流態(tài)

4.1.2引水運(yùn)行試驗(yàn)現(xiàn)象

閘門全開引水運(yùn)行時(shí)，其水流流態(tài)與排澇時(shí)相似，根據(jù)上下游水位差不同，有自由堰流和淹沒堰流之分，此處不再贅述。圖3a為外河水位3.06 m、內(nèi)河水位2.80 m時(shí)的引水試驗(yàn)現(xiàn)象，圖3b為外河水位2.43 m、內(nèi)河水位2.00 m的引水試驗(yàn)現(xiàn)象。

a)引水過閘流態(tài)1 b)引水過閘流態(tài)2圖3 閘門全開、引水運(yùn)行過閘水流流態(tài)

4.1.3寬頂堰流時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1.3.1過流能力比較

因閘門全開時(shí)，過流能力最大，為驗(yàn)證閘門在各征水位(內(nèi)、外河常水位、高水位)下的過流能力能否滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了特征水位下的過流能力試驗(yàn)。表2為各特征水位下的試驗(yàn)結(jié)果。由表2可知，引水運(yùn)行時(shí)，各特征水位下的試驗(yàn)流量小于設(shè)計(jì)流量，相差較大；而排澇運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)流量與設(shè)計(jì)流量基本相同，能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1.3.2綜合流量系數(shù)的探求

特征水位的試驗(yàn)過流量，可以為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

表2 特征水位過流能力試驗(yàn)結(jié)果

閘門全開時(shí)，過閘水流形態(tài)均為堰流，本文還進(jìn)行了不同流量時(shí)的過流試驗(yàn)，以探求綜合流量系數(shù)規(guī)律。

過閘流量可用堰流公式[15]進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中Q——實(shí)測(cè)過閘流量，m3/s；m——考慮上游行進(jìn)流速水頭、下游淹沒和側(cè)收縮影響的綜合流量系數(shù)；H——堰頂上游水頭，m；B——水閘的閘孔寬度，m；g——重力加速度，m/s2。

通過式(1)，用試驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算出綜合流量系數(shù)m。整理、分析m的規(guī)律性時(shí)發(fā)現(xiàn)，m與相對(duì)淹沒度t/H(t為堰頂以上下游水深)具有較好的相關(guān)關(guān)系，見圖4。

圖4 m與t/H關(guān)系

圖4表明，閘門全開，過閘水流為自由堰流(t/H<0.65)時(shí)，其綜合流量系數(shù)接近于某常數(shù)，水閘排澇時(shí)該值為0.365，水閘引水時(shí)為0.324。而水流過閘為淹沒堰流時(shí)，綜合流量系數(shù)隨相對(duì)淹沒度t/H的增加而急劇減小。

由圖4可知，在閘門全開，相對(duì)淹沒深度相同時(shí)，水閘排澇時(shí)的流量系數(shù)要大于引水時(shí)的流量系數(shù)，即排澇運(yùn)行的過流能力要大于引水運(yùn)行過流能力，這也較好解釋了表2中排澇流量要大于相同水位差時(shí)的引水流量。而導(dǎo)致“過流能力排澇運(yùn)行大于引水運(yùn)行”的原因，主要是受水閘內(nèi)、外河兩側(cè)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)外河河道斷面差異等因素影響所致。

4.2 閘門局部開啟(孔流)

閘門局部開啟，水流從門底下泄時(shí)，水閘過流形態(tài)為閘下孔流。

4.2.1排澇運(yùn)行試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)表明，過閘水流是否發(fā)生淹沒水躍，是閘孔出流流態(tài)的主要區(qū)別。圖5a為內(nèi)河水位3.80 m、外河水位1.05 m，閘門開度為1.36 m時(shí)的試驗(yàn)現(xiàn)象，此時(shí)實(shí)測(cè)排澇流量為154 m3/s，水流過閘孔后自由下流，在消力池內(nèi)形成自由水躍，但由于上下游水位差異不大，消力池內(nèi)水流未見強(qiáng)烈紊動(dòng)，水躍強(qiáng)度較小，水流過閘室段為急流，水面較為平順。圖5b為內(nèi)河水位2.50 m、外河水位1.05 m，閘門開度為1.78 m時(shí)的試驗(yàn)現(xiàn)象，此時(shí)實(shí)測(cè)排澇流量為154 m3/s，上下游水位差較小，水流過閘孔時(shí)為急流，并在消力池內(nèi)形成一定程度的淹沒式水躍，進(jìn)入海漫段后由于過流斷面變大，流態(tài)逐漸平緩。

a)自由孔流典型流態(tài) b)淹沒孔流典型流態(tài)圖5 閘門局部開啟(孔流)、排澇運(yùn)行時(shí)下游流態(tài)

4.2.2引水運(yùn)行試驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)水閘通過孔流方式引水時(shí)，外河為上游，內(nèi)河為下游。因內(nèi)河(下游)最低水位為2.0 m，下游水位較大，故在引水試驗(yàn)方案下，過閘水流均為淹沒孔流，其流態(tài)與排澇時(shí)的淹沒孔流基本相同，但由于上下游水位差相比排澇時(shí)更小，出閘孔時(shí)水面也更為平順，上下游水面銜接較好。圖6a為外河水位3.25 m、內(nèi)河水位2.00 m，閘門開度1.29 m的試驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)測(cè)引水流量100 m3/s；圖6b為外河水位3.25 m，內(nèi)河水位2.80 m，閘門開度2.56 m的試驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)測(cè)引水流量130 m3/s。

a)引水淹沒孔流流態(tài)1 b)引水淹沒孔流流態(tài)2圖6 閘門局部開啟(孔流)、引水運(yùn)行時(shí)閘下流態(tài)

4.2.3閘孔出流時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果可見，水閘局部開啟通過孔流方式排澇時(shí)，其過閘水流流態(tài)根據(jù)上下游水位的差異，有自由孔流和淹沒孔流2種流態(tài)。

水流為自由孔流時(shí)，其過流能力[15]可通過下式計(jì)算：

(2)

式中μ——計(jì)入行進(jìn)流速、淹沒和側(cè)收縮影響的綜合流量系數(shù)；B——節(jié)制閘凈寬，m；e——閘門開啟高度，m；H——堰頂上游水深，m；g——重力加速度，m/s2。

當(dāng)水流為淹沒孔流時(shí)，過閘流量Q與堰上水頭H，閘門開度e，下游堰頂以上水深t以及重力加速度g等因素有關(guān)，一般可按下式[15]計(jì)算：

(3)

式中σ——孔口淹沒系數(shù)，與下游水深t和躍后水深h″有關(guān)；其余同前。

淹沒孔流的過流能力計(jì)算，考慮了下游水位對(duì)上游的淹沒影響，但孔口淹沒系數(shù)σ較難確定，該式直接運(yùn)用于工程相對(duì)繁瑣。若以上游和下游水位點(diǎn)斷面列能量方程，整理后不難得到下式：

(4)

式中μs——考慮了淹沒及水頭損失的綜合流量系數(shù)；其余同前。

式(4)通過上下游水位差及綜合流量系數(shù)μs來反映淹沒對(duì)泄流的影響，使公式簡潔、便于運(yùn)用。

式(2)、(4)表明，無論自由孔流或淹沒孔流，綜合流量系數(shù)作為過流能力計(jì)算的核心參數(shù)，其規(guī)律同對(duì)于同類工程的參考意義較為重要。通過整理分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)自由孔流時(shí)，其綜合流量系數(shù)μ與具有相對(duì)開度e/H具有較好的相關(guān)性，而當(dāng)淹沒孔流時(shí)，綜合流量系數(shù)μs與相對(duì)淹沒度e/t具有較好相關(guān)性。其相關(guān)關(guān)系見圖7。而當(dāng)水閘通過孔流方式引水時(shí)，試驗(yàn)方案下，過閘水流均為淹沒孔流，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，其綜合流量系數(shù)規(guī)律性與排澇時(shí)相似。

圖7 閘下孔流時(shí)的綜合流量系數(shù)規(guī)律

由圖7可見，淹沒孔流的過流能力與運(yùn)行方式關(guān)系不大，排澇、引水時(shí)的綜合流量系數(shù)μs都與相對(duì)淹沒度e/t具有相關(guān)性，規(guī)律也基本相同。利用回歸分析，可將圖7關(guān)系擬合表達(dá)為：

μ=0.611-0.1012e/H(自由孔流)

(5)

μs=0.8742(e/t)1.1667(淹沒孔流)

(6)

以上分析了自由孔流及淹沒孔流時(shí)，綜合流量系數(shù)及相應(yīng)泄流能力計(jì)算方法。對(duì)于式(2)、(4)的適用條件，即判別自由孔流與淹沒孔流的方法，是值得討論的。為對(duì)其判別條件進(jìn)行量化，本文分析了由自由孔流變?yōu)檠蜎]孔流臨界狀態(tài)下的e/H與e/t的相關(guān)關(guān)系，見圖8，可將其作為判別條件。

圖8 孔流類型判別關(guān)系

4.3 閘門局部開啟(堰流)

當(dāng)閘門從全開向內(nèi)河側(cè)翻轉(zhuǎn)，處于局部開啟時(shí)，水流從閘門頂部跌落，過流形態(tài)類似薄壁堰流。

4.3.1薄壁堰流試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)結(jié)果表明，該過閘形態(tài)下的流態(tài)與上下游水位差關(guān)系最為密切。圖9a為通過薄壁堰流排澇運(yùn)行的試驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)內(nèi)河水位3.80 m、外河水位-0.31 m，門頂高程1.04 m，實(shí)測(cè)排澇流量為182 m3/s，此時(shí)上下游水位差相對(duì)較大，水流從門頂?shù)浜鬀_擊閘底板，過流方式屬自由堰流，水流在消力池內(nèi)充分紊動(dòng)，至海漫段與下游平順?biāo)驺暯?。圖9b為通過薄壁堰流引水運(yùn)行的試驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)內(nèi)河水位2.00 m、外河水位3.25 m，門頂高程1.27 m，實(shí)測(cè)引水流量為100 m3/s，此時(shí)上下游水位差相對(duì)較小，從門頂過閘時(shí)水流平順，流態(tài)較好，其過流方式屬淹沒堰流。

a)排澇門頂薄壁堰流流態(tài) b)引水門頂薄壁堰流流態(tài)圖9 閘門局部開啟(堰流)時(shí)的過閘流態(tài)

從試驗(yàn)現(xiàn)象來看，上下游落差較大時(shí)，為自由堰流，雖然其過流能力也相對(duì)較大，但水流直接沖擊門槽底板，可能導(dǎo)致閘底板的破壞，此外，落差較大還有可能引起閘門的振動(dòng)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題，應(yīng)引起注意。

4.3.2薄壁堰流的過流能力分析

本文進(jìn)行了門頂高程為-0.5～2.5 m(每0.5 m高程一個(gè)開度)的排澇、引水試驗(yàn)，但由于門頂?shù)溥^流時(shí)，其流量系數(shù)受堰(閘)上水頭、淹沒度、門頂高程(開度)等眾多因素的影響，較難用公式來表達(dá)。為方便該閘門的管理運(yùn)行，本文根據(jù)試驗(yàn)整理了不同門頂高程的流量等值線，圖10所示為門頂高程為1.0 m的流量等值線，其余各開度的流量等值線變化規(guī)律與圖10相似，圖10中上半?yún)^(qū)為排澇運(yùn)行，下半?yún)^(qū)為引水運(yùn)行。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果的運(yùn)用方式

通過以上對(duì)雙向翻轉(zhuǎn)弧形閘門不同過閘形態(tài)的過流能力分析，工程設(shè)計(jì)或運(yùn)行管理時(shí)，可根據(jù)已知的內(nèi)、外河水位和閘門啟閉狀態(tài)(開度)來確定水流的過閘形態(tài)，選擇相應(yīng)的過流計(jì)算公式及綜合流量系數(shù)(或用過流等值線圖內(nèi)插)來計(jì)算過流能力；也可根據(jù)擬定的排澇、引水流量，選擇閘門的啟閉方式，假設(shè)其開度e，再用上述相應(yīng)圖表進(jìn)行試算，確定相應(yīng)的閘門開度。

圖10 薄壁堰流的流量等值線

5 結(jié)論與展望

a) 雙向翻轉(zhuǎn)弧形閘門關(guān)閉時(shí)雙向擋水，全開時(shí)過閘水流形態(tài)為寬頂堰流，閘下過流時(shí)為孔流，門頂過流時(shí)為薄壁堰流；且各開啟狀態(tài)下可雙向過流，滿足排澇、引水的雙重需要。

b) 寬頂堰流時(shí)，自由堰流時(shí)的綜合流量系數(shù)為一常數(shù)，淹沒堰流的綜合流量系數(shù)隨相對(duì)淹沒度增加而降低；閘下孔流時(shí)，自由孔流的綜合流量系數(shù)μ與相對(duì)開度e/H具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，淹沒孔流綜合流量系數(shù)μs與相對(duì)淹沒度e/t具有冪函數(shù)關(guān)系。

c) 擬合了寬頂堰流、閘孔出流的綜合流量系數(shù)公式及適用條件，給出了門頂薄壁堰流的流量等值線，希望能為類似工程水力設(shè)計(jì)提供參考。

d) 本文深入研究分析了雙向翻轉(zhuǎn)弧形閘門過流能力及閘室段的水流形態(tài)，后續(xù)可圍繞水流在消力池及海漫段的水力特性等進(jìn)行深入研究。