闸后消力池二级消力坎设计参数优化研究

欧阳庆晓，谭宇静

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610)

1 工程背景

某灌区渠首进水闸为7孔开敞式平底闸设计，闸门净宽为8.0 m，总长64.0 m，高12.5 m。由于多孔水闸在运行情况与设计工况往往并不一致，经常出现部分孔小开度开启的情况，并造成下泻水流的流速较大，能量较为集中。若采用传统的挖深式消力池，往往难以满足消能要求，在出消力池后还会出现二次水跃，对闸后的河渠造成明显的冲刷破坏[1]。基于此，结合工程的实际情况以及相关研究成果，拟采用二级消力坎消力池设计方案[2]。显然，池内消力坎的参数设计也是消力池消能效果的重要影响因素。因此本次研究以模型试验的方式，展开对二级消力坎参数的优化研究，以期为相关工程设计提供技术支持和借鉴。

2 试验设计与方法

2.1 模型试验设计

为了使模型试验的结果具有科学性和有效性，需要保证模型试验和原型工程具有几何相似、运动相似和动力相似[3]。在模型试验设计过程中，一般需要首先满足几何相似性，然后再满足运动和动力相似[4]。在此次试验过程中，按照1∶100的模型比尺进行试验模型设计，进而满足水流运动相似性。关于动力相似，由于水流运动主要受到重力的作用，而其余影响因素的作用较为有限，因此只需满足模型和原型的弗劳德数相等即可。基于上述思考，模型设计中的时间比尺为10；流速比尺为10；糙率比尺为2.15；流量比尺为105。

2.2 模型制作

试验模型全部由有机玻璃制作，以满足试验模型的糙率要求[5]。同时，有机玻璃还具有表面硬度高、透光率高的特点，具有一定的材料优势。模型的模拟范围自上游至下游主要由3部分构成，分别为上游连接段、闸室段以及下游连接段。因此，模型的整体长380 cm、宽64 cm，各孔闸门宽8 cm，闸下消力池长19 cm，池深1 cm，其斜坡段的坡度为1∶4，模型的设计示意图见图1。试验的供水和回水系统主要由水箱、蓄水池、水泵、管道以及控制系统组成。试验中，水流经过上游段流至消力池段和下游渠道段，并在惯性的作用下自由流入模型下游的蓄水池，然后用水泵将蓄水池内的水流通过管道送至上游水箱，在充分消能之后流入模型上游，实现整个试验模型的循环供水。在水箱的底部安装有流量调节阀，满足上游水位的控制要求。

图1 试验模型布置示意图

2.3 数据采集

此次试验需要用到的仪器有GS-5光栅式水位仪、钢尺和秒表等。其中，GS-5光栅式水位仪的主要功能是多点测量和记录水位高度，测量误差在0.2 mm以内[6]。秒表主要用于测量水流时间；钢尺主要用于测量急流段长度和水深数据。由于闸下水流出流过程是一个十分复杂的过程，在现有的试验条件下，对其过程进行准确测量较为困难。因此，只能通过对多断面水利要素的测量获得其水流特点。在试验过程中，开启中间孔闸门，闸门的开度保持1 cm不变，观察不同试验工况下的流态、测量急流段长度、回流区范围和流速，对不同的消力坎设置方案进行对比，以获取最优设计方案。

2.4 试验方案设计

显然，消力坎的参数会对二级消力坎消力池的消能效果产生直接影响[7]。其中，二级消力坎的间距和坎高影响最为明显[8]。因此，研究时保持原设计方案中的其余设计参数不变，将消力坎的间距和坎高作为主要设计变量。结合工程的实际情况和相关工程经验，试验研究中设计11.0、13.0和15.0 cm共3种不同的消力坎间距，0.7、0.9和1.1 cm共3种不同的消力坎坎高进行组合，并以无消力坎设计的消力池为对比工况，设计试验方案见表1。试验中，根据不同方案对消力池内的两道消力参数进行调整和试验，并根据试验成果，选择出最优的设计方案。

表1 试验方案设计

3 试验结果分析

3.1 急流段长度

在水闸的闸下消能设施中，存在较长的急流段是十分不利的，这不仅不利于形成泄流设施中的良好流态，同时还会对下游海漫段造成比较严重的冲刷作用。一般来说，急流段长度越长，对下游的冲刷破坏范围越大、程度越深，越不利于工程运行期间的安全稳定。试验中，利用钢尺对不同试验方案下的急流段长度进行测量，测量获得的数据见表2。

表2 不同急流段长度 /cm

由表2中的结果可以看出，各个方案的急流段长度存在明显的差异，因此消力坎的参数对急流段长度存在较为显著的影响。首先，在没有设计消力坎的对比工况下，虽然表2中的记录数据为89.0 cm，事实上急流段的长度已经超出模型的试验范围，在模型的出口部位仍表现为急流状态。由此可见，采用传统的挖深式消力池并不能满足消能要求。同时，方案1至方案9的急流段长度明显偏小，说明采用二级消力坎设计可以大幅降低急流段长度，减轻下游的冲刷。另一方面，从表2中的试验数据还可以看出，消力坎间距和坎高过大或者过小，都会造成急流段长度的增加，不利于提高消能效果。试验方案5的急流段长度最小，为19.4 cm，与工况2的23.5 cm相比减小约17.4%；与方案9的39.4 cm相比，减小约50.8%。由此可见，方案5控制急流段长度的效果最佳，对于减轻下泄水对下游海漫段的冲刷较为有利。

3.2 回流区长度

在多孔水闸部分孔小开度开启的工况下，受到泄水流量集中的影响，主流区和两侧的水体形成比较明显的紊动剪切效应，最终使静水区演变为回流区，而回流区又会对消力池中部的主流造成挤压，对其横向扩散造成阻碍。因此，回流区长度也是衡量消能效果的重要指标。研究中，测量并统计出不同试验方案的回流区长度，结果见表3。

表3 不同方案回流区长度 /cm

由表3中的结果可以看出，回流区的长度变化规律与急流段类似。究其原因，主要是回流区由主流区和两侧水体的紊动剪切效应形成，因此回流区的长度和范围与急流段长度存在明显的相关性。总之，从回流区长度的试验数据来看，二级消力坎设计方案与传统的挖深式设计方案相比存在显著的优势。从不同消力坎参数设计方案来看，方案5的优势比较明显，对控制回流区的长度最为有利。

3.3 断面流速

试验中，对消力池段0+15、0+30和0+45这3个典型断面的表层和底层流速进行测量计算，根据计算结果绘制表层和底层流速的变化曲线，见图2和图3。

由图2和图3可知，与方案10相比，其余各方案的底层和表层流速值明显偏小，说明二道坎消力池在控制下泄水流速方面具有比较明显的优势。从各个二道坎设计方案来看，二道坎的间距和坎高对表层水流的流速影响极为有限，对底层流速存在一定的影响。从具体的试验结果来看，0+15、0+30断面方案4的流速值最小，分别为3.57和3.38 cm/s；0+45断面方案5的流速值最小，为1.98 cm/s，同时3个断面方案4和方案5的流速值比较接近。

图2 底层流速变化曲线

图3 表层流速变化曲线

4 结 论

此次研究通过模型试验的方式，对闸下消力池二道坎消能工的消能效果和参数优化进行研究，并获得如下主要结论：

1) 设置二道坎方案和传统的挖深式方案相比，急流段长度、回流区长度和流速值明显减小，具有明显的消能优势。

2) 从急流段长度、回流区长度试验结果来看，方案5为最佳方案；从流速试验结果来看，方案4和方案5较优。

3) 综合试验结果，认为方案5为最优方案。建议工程设计中，二道坎的间距为13.0 m，坎高为0.9 m。