某泄洪闸溢流堰消能结构优化方案浅析

2019-11-22朱江

陕西水利 2019年10期

朱江

（伊犁哈萨克自治州喀什河流域管理处，新疆伊宁 835000）

1 工程概况

为应对黄河凌汛灾害，内蒙古自治区在沿黄凌汛灾害比较严重的河段规划兴建防凌分洪区6处，乌兰布和分洪区就是上述6个分洪区之一[1]。分洪闸是分洪区建设的重要节点性工程，当凌汛来临时，分洪闸开闸分洪，将凌汛洪水放入分洪区，以降低黄河凌汛期的洪水压力，在凌汛结束后，再分洪区内的水回退至黄河，以保证黄河的水量[2]。该分洪闸共设置单孔净宽为6.0 m的7孔溢洪道，溢流控制段采用实用堰性，闸室长16.10 m，宽35.60 m，堰顶和底板高程分别为1014.50 m和1010.20 m，分洪闸的下游设两级消力池。其中，一级消力池为曲线溢流堰型，池长18.00 m，二级消力池为斜坡消力池，池长为29.80 m，斜坡段的坡比为1∶4，斜坡上设置三道消力坎，消力池的末端设置长度为65.00 m的海漫，海漫上游设置一道消力坎。

2 试验模型的设计与制作

2.1 模拟范围

根据需要和工程现状，模型试验的模拟范围为分洪闸上游250.0 m，下游400.00 m，模型的宽度为分洪闸两侧堤防之间的宽度，以保证模型试验过程中的水流相似性要求[3]。

2.2 模型设计

对溢流堰的消能结构进行优化设计，保证工程的正常使用和安全运行，需对整体模型进行试验，分析消能部分的局部流态。考虑试验场地因素和相关规范的具体要求，设定水工试验模型的几何比尺为50[4]。为有效模拟工程运行中的水流流态特征，模型采用PVC灰板制作，其中闸室和消力池段等过水关键部位利用有机玻璃制作，以满足水流紊动阻力相似性需求，模型制作过程中要求高程误差小于2 mm，平面误差小于10 mm[5]。模型设计平面图见图1。水位监测采用DJ800型多功能监测系统；断面流速分布采用DJ800型多功能监测系统和毕托管联合监测测量；底板压强采用采用测压管测量，测点布置见图2；水流流态采用高倍像素相机拍摄[6]。

图1 模型设计平面图

图2 测压管测点布置示意图

2.3 试验工况

根据模型试验的基本要求和相关研究成果，选取不同水位高度和闸门开度分析溢流堰的消能效果，试验工况见表1。

表1 试验工况表

3 溢流堰结构优化方案试验

3.1 原设计方案试验结果分析

利用模型试验方法，在工况1及工况2、闸门开度为0.5 m条件下对原设计方案溢流堰消能效果进行分析，结果见表2。根据试验结果可知：原设计方案，一级消力池溢流堰表面部分部位存在负压现象，且主要集中于1号和2号测点，但是负压值相对较小；位于消力池底板部位的3号、4号、5号和6号测点为正压。结果说明一级消力池的消能效果比较理想，可以有效减轻二级消力池的消能压力；在二级消力池斜坡部位的7号测点存在急流区，在消力坎后的8号和9号测点也存在比较明显的负压，水流紊动情况十分明显；位于二级消力池下游的水跃区的10号、11号和12号测点为正压；13号和14号测点位于海漫段，由于受到消力坎的作用，急流情况不怎么明显。

表2 各测点的测压管读数与水面标高的差值单位：m

在试验中对不同工况、不同闸门开度条件下的消力池底板和部分海漫段底板压力进行测量。结果见表3。结果显示不同闸门开度下，两级消力池的部分部位均存在负压；在闸门开度1.3 m、试验工况3条件下，二级消力池的斜坡面出现比较大的负压，越过下游消力坎后的海漫段存在一段十分明显的急流。说明消力池的消能效果并不理想，需要对消能结构进行进一步优化。

表3 不同闸门开度下原方案各测点的测压管读数与水面标高的差值单位：m

3.2 二级消力池堰面优化设计

由表2的原设计方案的模型试验结果显示，二级消力池的消能效果并不理想，虽然消力坎具有显著的消能效果，但是出池水流仍为急流。鉴于原设计方案中的一级消力池采用的是曲线型溢流堰，并且在模型试验中显示出良好的消能效果，因此将模型的二级消力池结构形式设计为曲线型溢流堰[7]。

开敞式堰面一般采用WES幂曲线，可按如下公式计算：

式中：Hd为定型设计水头，m；k为系数；n为与上游堰坡有关的指数。

由于一级消力池内的水流紊动会对曲线参数的选择造成影响，因此在设计中以原方案设计中的部分测量数据为依据，取定型设计水头为3.7 m，上游堰高为1.8 m，k取2.2，n取1.85，得到的堰面曲线方程为：

堰面曲线的半径根据下游堰高和设计水头确定，计算结果为1.9 m，反弧段的角度为50°，设计曲线见图3[8]。

图3 堰面曲线设计示意图（cm）

3.3 优化方案试验结果分析

按照优化后的消力池溢流堰结构优化方案，重新进行模型制作并进行试验，将试验结果与原设计方案的试验结果进行对比分析。

3.3.1 闸下消能试验分析

为验证优化效果，在工况1及工况2、闸门开度0.5条件下进行模型试验，各测点的测压管读数与水面标高的差值见表4。由表4可知，上游溢流面的还存在负压，但是负压值明显减小，一级消力池的水流紊动现象有所减轻，3号测点的正压值减小。二级消力池的7号和8号测点部位为急流区，存在可以允许的负压。10号、11号和12号测点水流比较平稳，使下游消能压力大为减轻。13号和14号压力变化不大，但是消力坎坎后的水流流态更为平稳。

表4 各测点的测压管读数与水面标高的差值单位：m

3.3.2 水流形态观测分析

对试验过程中水流流态进行观测，优化后的设计方案溢流堰东部存在部分急流区，工况1条件下海漫斜坡段的第一道消力坎坎前存在急流区看，长度为2 cm左右，但是较原型方案中100 cm长的急流区相比有明显减小；在工况2条件下该部位的急流区长度为4 cm，较原型中200 cm长的急流区相比也有显著减小。由此可见，将泄洪闸二级消力池改为曲线溢流堰后，有助于能量的消散，因此急流区长度大幅缩短，不会对工程的安全运行造成不利影响。总体来看，泄洪闸上游流态较好，泄洪闸下游的流态也较为平顺，不存在明显的回旋区。

3.3.3 不同开度下的闸下消能分析

为了进一步验证优化方案的消能效果，在不同工况和不同闸门开度条件下进行模型试验，根据试验结果，获得各测点的测压管读数与水面标高的差值，结果见表5。由表5可知，一级和二级消力池的溢流面上的测点1和测点2存在负压，在工况2、开度1.3 m条件下，二级消力池的斜坡面的测点7～测点9存在负压，但是负压的值不大，不会对泄水闸的运行产生不利影响，与原始设计方案相比，负压和急流现象有明显缩小。