王常紅 王廣祿

摘 要：樞紐的下泄水流特性及其對下游的消能防沖是一個(gè)普遍的水力學(xué)問題，目前主要通過斷面模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析。通過對斷面模型的設(shè)計(jì)、制作、研究手段及不同閘門型式的總結(jié)、對比、分析，提出了此類斷面模型要解決的關(guān)鍵技術(shù)和目標(biāo)，對類似斷面模型試驗(yàn)的開展具有借鑒和指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：閘門型式;水流特性;斷面模型

中圖分類號：TV61? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0156-02

目前許多在建樞紐地處峽谷河段，樞紐布置受地形條件的限制，需要通過試驗(yàn)對其總體布置方案及泄流能力進(jìn)行研究分析。不同型式的閘門其運(yùn)行過程中的水流特性以及對下游的消能防沖是一個(gè)十分普遍的水力學(xué)問題，目前尚無成熟的理論方法解決這一問題，主要是通過水工斷面試驗(yàn)進(jìn)行模擬研究。

1泄水閘的閘門型式

水工閘門常用門型為平板閘門和弧形閘門。平板閘門是由平面直板、構(gòu)架、吊具等組成，閘門在門槽內(nèi)直升直降。平板閘門在很多水利樞紐工程中被作為主要的擋水、泄水結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝、運(yùn)輸方便，投資小，管理、施工方便，且啟閉設(shè)備簡單，利于采用移動(dòng)式啟閉機(jī)。平板閘門缺點(diǎn)：①平板閘門在大開度局部開啟時(shí)，存在閘門振動(dòng)問題;②啟閉機(jī)的維護(hù)管理復(fù)雜，需設(shè)置較高的閘墩或工作橋;③平板閘門依靠門槽支承，閘門凹槽對水流存在不利的影響。

弧形閘門是擋水面為圓柱體的部分弧形面的閘門。其支臂的支承鉸位于圓心，啟閉時(shí)閘門繞支承鉸轉(zhuǎn)動(dòng)。弧形閘門由轉(zhuǎn)動(dòng)門體、埋設(shè)構(gòu)件及啟閉設(shè)備三部分組成?；⌒伍l門不設(shè)門槽，啟閉力較小，水力學(xué)條件好，是目前水閘建設(shè)中采用較多的門型之一。它具有閘門啟門力小、運(yùn)行速度較快、操作靈活、運(yùn)轉(zhuǎn)安全、外形優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)?；⌒伍l門可避免平面閘門不利的因素，弧形閘門適宜大孔口溢流，有利于閘門的靈活調(diào)度運(yùn)用[1]。

泄洪建筑物的選擇一般結(jié)合壩址地形、地質(zhì)條件和水文特征、庫區(qū)淹沒控制等條件，綜合比較選擇。對于低堰大尺寸泄流孔口，常采用平面閘門或弧形閘門擋泄水，但閘門型式對泄水建筑物的尺寸有較大的影響，進(jìn)而影響到整個(gè)樞紐建筑物的布置。不同型式的閘門，其下游水流特性不盡相同，需要通過試驗(yàn)對各種工況進(jìn)行模擬，綜合比選經(jīng)濟(jì)合理安全的方案。

2斷面試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與制作

斷面模型試驗(yàn)中，首先要選擇合理的比尺。根據(jù)試驗(yàn)的目的，研究泄水閘各種工況條件下其下泄水流的水力學(xué)特性，所選幾何比尺過小，模型水深、流速等水流參數(shù)指標(biāo)誤差就較大，無法達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康腫2]，而比尺過大，會出現(xiàn)模型的試驗(yàn)場地及造價(jià)等問題。一般需根據(jù)試驗(yàn)的要求，模型為正態(tài)模型，選用幾何比尺一般在20～50之間。

為了保證單寬流量下泄時(shí)水流的相似性，消除邊壁層流厚度對水槽中部流速的影響，提高試驗(yàn)成果精度，通常采用兩半加一整（共計(jì)兩孔）設(shè)計(jì)方式。模型試驗(yàn)在矩形玻璃水槽中進(jìn)行，可以觀察試驗(yàn)中的各種流態(tài)，按重力相似條件設(shè)計(jì)來確定模型各比尺。

量測儀器主要包括流量、流速、壓力和水位量測儀器。水槽進(jìn)口流量由調(diào)節(jié)閥配合電磁流量計(jì)控制進(jìn)口流量，誤差1%～3%;以點(diǎn)式三維流速儀測量垂向流速分布;閘室、消力池內(nèi)及閘下河床的流速由日本二維流速儀進(jìn)行測量。泄水閘上、下游及閘板上安裝水位計(jì)，采用水位測針筒標(biāo)定后進(jìn)行量測，用于觀測閘室及其上下游水面線。閘室內(nèi)及下游消力池安裝壓力管用于觀測泄水過程中的壓力變化。

3斷面試驗(yàn)的內(nèi)容

以某工程為例，樞紐地處山區(qū)峽谷河段，河寬窄小，泄水閘泄洪能力往往無法滿足安全下泄設(shè)計(jì)洪水要求，導(dǎo)致其上游的淹沒損失比設(shè)計(jì)存在較大的差距，試驗(yàn)可以解決的是樞紐在河道狹窄、山高谷深地勢條件下，泄水閘的泄洪能力及運(yùn)行調(diào)度方式以及消能工的布置方案[3]。

首先進(jìn)行設(shè)計(jì)方案下平板門及弧形門泄水閘泄流能力及消能工水工斷面試驗(yàn)，對初步設(shè)計(jì)中提出的方案進(jìn)行試驗(yàn)，量測泄水閘各泄流工況下堰面及消力池沿程壓力和流速分布，量測不同開度、下游不同水位閘門泄流流態(tài)、確定不同泄流工況下的閘孔綜合流量系數(shù)，并驗(yàn)證消能工平面布置、消力坎的消能效果并提出修改建議;針對設(shè)計(jì)方案存在的問題，開展方案優(yōu)化試驗(yàn)研究，從堰型及消能結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終使每孔泄水閘的泄水能力得到充分發(fā)揮，滿足設(shè)計(jì)的要求;最后從水力條件和消能效果，進(jìn)行方案比選，從不同角度對比平板門和弧形門的試驗(yàn)結(jié)果，提出合理的閘門型式、樞紐泄水閘泄洪運(yùn)行調(diào)度方式及消能工布置方案，為依托工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

4斷面試驗(yàn)的目標(biāo)

通過斷面模型試驗(yàn)和總結(jié)研究，研究泄水閘泄洪能力、下游消能工的優(yōu)化布置及合理泄洪運(yùn)行調(diào)度方式。確定閘門不同開度、不同下游水位時(shí)閘孔綜合流量系數(shù)、淹沒系數(shù)等，提出閘門開度、下游水位不同組合下下游單寬流量關(guān)系曲線;通過試驗(yàn)對影響消能工的水力特性及消能機(jī)理的因素進(jìn)行研究，最終能有效降低對消能設(shè)施的損壞。

5結(jié)語

在大型樞紐工程建設(shè)中，泄水建筑物過流能力、閘門型式、體型優(yōu)化及下游消能工的布設(shè)等方面在工程建設(shè)中都很重要，目前沒有成熟的理論方法完全進(jìn)行模擬，通常是借助斷面物理模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬，對模型的精度要求高。實(shí)踐證明，斷面模型試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地模擬泄水閘的型式、水流特性及消能工的穩(wěn)定性，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞松賓，龍益輝，周士虎等.廣西郁江老口航運(yùn)樞紐工程泄水閘壩門型設(shè)計(jì)方案選擇[J].紅水河，2011，30（5）：39-42.

[2]SL 155—2012，水工（ 常規(guī)） 模型試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3]孟德臣，黎國森，邢順敬，等.葫蘆灣樞紐泄水閘泄流能力研究[J].水道港口，2010，31（ 4）：281-284.