黃智敏,陸漢柱,付 波,陳卓英

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635;2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635)

1 概述

低水頭水閘泄流的上、下游水位差較小，泄洪流量較大，其下游河道水位隨泄洪流量變化而改變。因此，水閘出流的下游流態(tài)較復(fù)雜[1-4]，給水閘下游底流消能的計算和分析帶來一定的困難。

低水頭水閘泄流的閘門運行有兩種方式：① 在閘上游正常蓄水位(或在某一特征洪水位)條件下，閘門局部開啟控泄運行(簡稱閘門局部開啟運行)，此運行工況的水閘上、下游水位差和出流弗氏數(shù)Fr1相對較大；② 閘門全開敞泄運行(簡稱閘門全開運行)時，水閘的上、下游水位差一般較小，泄洪流量較大，出流弗氏數(shù)Fr1相應(yīng)較小。在這兩種泄流運行工況下，受水閘泄洪流量Q大小的影響，閘下游河床水深ht相應(yīng)產(chǎn)生變化[ht的變化可根據(jù)水閘消能設(shè)計的Zt～Q關(guān)系查出(注:Zt為閘址處下游河道水位)]，在同一泄洪流量Q的條件下，水閘出流的躍后水深h2與其下游河床水深ht的關(guān)系，會影響水閘下游的流態(tài)(如水躍形態(tài)、波狀流等)和消力池長度計算結(jié)果等。

本文在分析低水頭水閘閘門局部開啟和閘門全開運行下游流態(tài)的基礎(chǔ)上，并綜合以往的有關(guān)研究成果，對水閘下游消力池長度的計算方法進行分析，供工程設(shè)計和運行參考。

2 水閘下游消力池長度計算公式

根據(jù)文獻[5-6]，水閘下游消力池體形和水力參數(shù)示意見圖1。

圖1 水閘下游消力池體形和水力參數(shù)示意

閘下游收縮斷面水深h1：

(1)

閘下游躍后(共軛)水深h2：

(2)

水躍長度Lj:

Lj=6.9(h2-h1)

(3)

消力池長度Lsj:

Lsj=Ls+βLj

(4)

由公式(3)分析可知，該式為自由水躍長度的計算公式(公式適用范圍為Fr1=5.5～9.0)。由于受水閘下游河道水位變化和邊界條件等影響，閘下游水躍形態(tài)和流態(tài)較復(fù)雜(如自由水躍、淹沒水躍、波狀明渠流等)，因此，只有正確地分析水閘下游流態(tài)之后，才能較準確地計算其下游消力池長度。

3 閘門局部開啟出流流態(tài)分析

3.1 正常蓄水位的閘門局部開啟出流

水閘上游正常蓄水位是綜合考慮水閘發(fā)電、灌溉、供水、航運、上游淹沒損失等確定的，閘上游正常蓄水位確定之后，在滿足發(fā)電運行等條件下，閘上游來流多余的水量由水閘閘門局部開啟排向閘下游河道。通常水閘上游正常蓄水位閘門局部開啟泄流的上、下游水位差和出流弗氏數(shù)Fr1相對較大，閘下游易形成較完整的水躍。

在閘門局部開啟泄流條件下，根據(jù)閘下游收縮斷面水深h1的共軛水深h2與下游河床水深ht的關(guān)系，可分為自由出流和淹沒出流[7]：當h2≥ht時，閘孔為自由出流；h2

圖2 水閘閘門局部開啟運行下游流態(tài)示意

參考文獻[7-8]，對閘門局部開啟泄流的下游流態(tài)進行分析：

1)h2>ht時，閘下游產(chǎn)生遠驅(qū)式水躍，閘下游有一段急流段，對閘下游消能防沖極為不利。h2=ht時，水躍躍前發(fā)生在閘下游水流收縮斷面處，稱為臨界式水躍，這種水躍是不穩(wěn)定的。此2種水躍稱為自由水躍。

2)h2

3.2 特征洪水位的閘門局部開啟出流

在某一特征洪水位(如設(shè)計洪水頻率、校核洪水頻率等)條件下，為了確保樞紐工程和其下游河道行洪的安全，需采用保持閘上游為特定的洪水位、閘門局部開啟控泄某一限制流量的運行方式。此運行工況的水閘上、下游水位差仍較大，閘下游產(chǎn)生穩(wěn)定的水躍，是水閘下游消力池長度計算和選取的決定性工況。

如韓江高陂水利樞紐泄水閘在設(shè)計洪水頻率(P=1%)和校核洪水頻率(P=0.1%)流量泄洪時，為了確保樞紐工程安全和下游河道行洪安全，樞紐按不大于相應(yīng)天然最大洪峰流量控泄，在控制閘上游水位Z=47.44 m條件下，泄水閘仍采用閘門局部開啟運行方式控泄。因此，該泄水閘下游消力池長度按閘孔控泄情況下的最大泄洪流量確定[9]。

4 閘門全開泄流出流流態(tài)分析

閘門全開泄流運行時，低水頭水閘的過閘水位差一般較小。文獻[5]指出，計算閘孔總凈寬時，平原區(qū)水閘的過閘水位差可采用0.1～0.3 m，山區(qū)、丘陵區(qū)水閘的過閘水位差可適當加大。因此，為了減小水閘上游的壅水和淹沒損失，應(yīng)盡量增大水閘閘孔的總凈寬。

在閘門全開運行泄流條件下，根據(jù)以閘室堰頂為基準的下游河床水深hs與閘室堰頂上游水深H的關(guān)系hs/H，可分為自由出流和淹沒出流[10]：當hs/H<0.8時，水閘出流為自由出流；hs/H≥0.8時，水閘出流為淹沒出流 (見圖1)。

文獻[11]通過大量的水力模型試驗研究，在水閘閘門全開、宣泄最大洪水流量Qm運行工況下，得出以下的成果：① 若hs/H<0.8，此時水閘出流為自由出流，閘下游消力池池長隨泄洪流量Q增大而增加，應(yīng)采用Qm計算消力池長度，并與正常蓄水位、閘門局部開啟控泄運行工況的消力池長度進行比較后確定；② 若hs/H≥0.8，水閘出流為淹沒出流，閘下游的躍長較短或無水躍(波狀明渠流)，此工況應(yīng)采用水閘上游正常蓄水位、閘門局部開啟最大開度em的泄量計算和選取消力池長度。

5 水閘下消力池長度計算分析

通常根據(jù)水閘泄流水力參數(shù)和河床條件等，一般可先計算和確定下游消力池末端尾坎頂高程、池深等，再計算和選取消力池長度[11]。消力池末端尾坎頂高程和池深的計算和確定的方法為：① 水閘下游應(yīng)產(chǎn)生有一定淹沒程度的水躍；② 在各級洪水流量泄流運行時，池末端尾坎斷面出流流速小于下游海漫段材料的允許抗沖流速。

由公式(3)分析可知，閘下游的水躍長度Lj與躍后水深h2和躍前水深h1之差(h2-h1)有關(guān)，而按理論計算的(h2-h1) 隨水閘泄洪流量Q增加而增大，因此，若不加分析水閘的閘門運行情況和閘下游流態(tài)，盲目地采用水閘泄洪最大流量Qm計算閘下游消力池池長，就會造成池長明顯偏大和工程投資的浪費。

綜合有關(guān)的研究成果[11]和本文研究成果，在閘門局部開啟運行和閘門全開運行的兩種運行工況下，低水頭水閘下游消力池長度計算和選取的方法如下。

1)在各級洪水流量或水閘最大泄洪流量Qm、閘門為局部開啟控泄運行的條件下，應(yīng)采用Qm計算和選取水閘下游消力池長度。

2)在水閘最大泄洪流量Qm、閘門為全開運行時，若hs/H<0.8(水閘為自由出流)，應(yīng)采用Qm計算水閘下游消力池長度，并與正常蓄水位、閘門局部開啟控泄運行工況的消力池長度進行比較后確定。

3)在水閘最大泄洪流量Qm、閘門為全開運行時，若hs/H≥0.8(水閘為淹沒出流)，閘下游躍長較短或無水躍(波狀明渠流)，應(yīng)采用水閘上游正常蓄水位、閘門局部開啟最大開度em的泄量計算和選取消力池長度。根據(jù)文獻[11]的成果，本條款計算方法應(yīng)注意：① 計算公式(4) 的水躍長度校正系數(shù)β取1.0；② 計算中，對應(yīng)閘門開度e運行的下游河道水位Z為低一級閘門開度泄量對應(yīng)的下游河道水位；③ 為了便于正常蓄水位、閘門局部開啟運行的下游消力池長度的計算和選取，可根據(jù)各級閘門開度e分別計算出下游消力池長度(各級開度e運行的Z為低一級閘門開度泄量對應(yīng)的下游河道水位，且β取1.0)，選取計算的最大值為消力池長度。

如西溪水閘重建工程項目的攔河水閘共設(shè)14 孔，單孔閘凈寬為10 m，總凈寬為140 m。閘室堰頂高程為-5.20 m，堰頂未端以1:4坡度與下游消力池相接；設(shè)計方案的消力池水平段池長為19.2 m、池底高程為-5.70 m，池末尾坎頂高程為-5.20 m；尾坎末端接1:40 坡度的斜坡海漫(見圖3)。攔河水閘正常蓄水位為0.35 m，設(shè)計洪水頻率泄流量為2 171 m3/s(P=3.33%)，校核洪水頻率泄流量為3 232 m3/s(P=1%)。

水力模型試驗的成果為[12]：① 在水閘正常蓄水位(Z=0.35 m)、閘門局部開啟運行條件下，水閘下游收縮斷面弗氏數(shù)Fr1約為8.2～3.9，水閘下游為穩(wěn)定的水躍，測試的各級閘門開度e的閘下游水躍躍尾樁號見表1；② 在閘門全開的各級洪水流量(Q>892 m3/s)泄流運行時，閘下游無水躍、呈波狀明渠流。

根據(jù)水力模型試驗研究成果，西溪水閘重建工程推薦方案的下游消力池池長維持設(shè)計方案的池長不變，試驗研究成果得到了工程設(shè)計的采用。

圖3 西溪水閘下游消力池剖面示意(單位：m)

表1 西溪水閘閘門局部開啟運行的下游水躍躍尾樁號

6 結(jié)語

在綜合分析低水頭水閘閘門局部開啟運行和閘門全開運行的下游流態(tài)的基礎(chǔ)上，提出了水閘下游消力池長度的計算方法，該計算方法包括了水閘以下的3種閘門開啟運行方式：

1)水閘各級洪水流量或最大泄洪流量Qm，閘門仍為局部開啟控泄運行；

2)水閘最大泄洪流量Qm、閘門全開的hs/H<0.8(水閘為自由出流) 運行；

3)水閘最大泄洪流量Qm、閘門全開的hs/H≥0.8(水閘為淹沒出流) 運行。

上述3種閘門開啟運行方式基本包括了低水頭水閘泄流運行方式，計算方法基本涵蓋了低水頭水閘下游消力池長度的計算。本文研究成果可為低水頭水閘工程設(shè)計和運行提供重要的參考作用。