李宗民，李金松

(德州市水利工程施工与维修中心， 山东 德州 253014)

建国以来，国家十分重视水利工程建设，通过修建水库、水闸、堤坝、渠道等各种水工建筑物进行水资源的调节和分配，对缓解我国水资源的时空分布不均问题起到了十分重要的作用[1]。在北方平原地区的水利工程建设过程中，为了挡水、引水或者泄水，经常需要在河道或沟渠中修建多孔水闸[2]。这些水闸除了在泄洪和排涝时期，大部分时段都采用的是少数孔小开度的运用方式，在这种应用方式下，上游水流下泄过程中，往往会形成流速较高、能量集中的下泄水流， 与水闸下游造成极强的冲刷破坏作用，这些问题如不能妥善处理，往往会造成下游河床的严重冲刷以及折冲水流，从而威胁到两岸建筑物的安全[3]。从具体的水流形态来看，在多孔水闸少数孔开启的工况下，下泄水流的宽度相对较小，而随着水体势能转化为动能，其流速会不断加快，从而对下游产生比较严重的冲刷破坏。为了解决这一问题，就必须要在水闸的下游采取消能措施。另一方面，在多孔水闸少数孔开启的情况下，水流流态会比较复杂，其质点会发生纵向、横向和垂向位移，从而产生十分复杂的三元水跃，而并非简单的二元水跃。但是，闸下消力池的设计一般都根据二元水跃进行计算，因此与实际水流流态不符，因此会造成闸后严重的冲刷破坏。针对这一问题，此次研究以具体工程为背景，设计出一种三道坎消力池，并通过模型试验的方式验证其消能效果。

1 试验设计

1.1 工程背景

某水闸属于控制性拦河建筑物，建成于1973年，主要用途为拦污、灌溉、防洪等。由于设计建设标准低和年久失修，损毁情况比较严重，不仅影响到其功能发挥，同时也带来一定的防洪安全隐患，因此需要重建。按照工程的设计，重建后的水闸为7孔开敞式平底闸设计，闸门净宽为8.0m，总长64.0m，高12.5m。在原工程设计中，水闸的下游为挖深式消力池，斜坡段长度为6.0m，水平段长度为13.0m，总长为19m。为了对比研究三道坎消力池的消能效果，设置等间距的三级消力坎，坎高为1.1m，坎顶宽为1.0m，间距均为6.0m，其设计示意图如图1所示。

图1 三级消力坎设计方案示意图

1.2 模型设计与制作

由于水闸的闸后流态比较复杂，为了保证试验结果的科学性和准确性，需要保证模型与原水闸水力参数的一致性，因此需要按照几何相似、运动相似和动力相似的原则进行物理试验模型的设计[4]。鉴于几何相似是运动相似和动力相似的前提，而同时保证水流运动过程中多种力的相似无疑是十分困难的，因此在试验中可以将问题适当简化，满足主要作用力的相似性，因此模型试验设计中仅需要保持和原水闸的佛汝德数相等即可[5]。基于上述思路，模型的几何比尺为1∶100，流速比尺为1∶10，流量比尺为1∶100000，时间比尺为1∶10。

模型制作采用的是亚克力板，这种材料具有较高的透明度和抗老化性，综合性能优异[6]。按照几何比尺换算，闸门宽为8cm、闸墩宽为1cm，下游为下降护坦式消力池，消力池斜坡段长6cm，坡度为1∶4，水平段长度为13cm。在模型制作和安装过程中，制作和安装精度均满足SL 155—2012《水工模型试验规程》。根据工程的平面图以及地形图上的设置三角网进行控制，利用全站仪进行控制点的释放，在地形复杂的区域进行加密处理[7]。为了保证高速水流条件下水流流态的稳定性，利用水准仪高程测量。模型系统通过水泵将下游蓄水池中的水抽到上游水箱，在闸门调节后下泻至下游渠道，最终进入下游的蓄水池，从而实现水的循环。

1.3 试验方法

此次模型试验主要使用秒表、三角量水堰、GS- 5光栅水位仪等进行水位和流量测量的仪器。其中，秒表主要用于测量水流的时间，三角量水堰主要用于流量的测定，CS- 5光栅水位仪主要用于多点同步测量以及水位的记录。

1.4 试验工况

为了方便描述，试验中对水闸闸孔进行编号，从左向右依次为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#。为了考虑闸门开度的影响，将闸门开度设置为1、2两级，结合水闸的设计资料以及具体的使用要求，设计出不同开启闸孔、不同闸门开度、不同消能设施相互组合的12种试验工况，结果见表1。

表1 计算工况设计 单位：cm

2 试验结果分析

2.1 急流段长度

在闸下消能设施中，急流段的长度是检验消能效果的重要指标。一般来说，如果效能设施中的急流段长度越长，就越会对下游造成比较严重的冲刷，破坏作用越明显，因此消能效果也就越差[8]。利用构建的水工模型，对各个试验工况进行试验，并对试验过程中的急流段长度进行测量和记录，根据记录的数据，统计获得急流段长度，见表2。由表2中的数据可以看出，不同的消能方式对消能设施的急流段长度存在比较明显的影响。总体来看，如果其他条件相同，三道坎消力池和普通的挖深式消力池相比，其急流段的长度明显偏小。由此可见，采用三道坎消力池可以显著缩小急流段的长度，减轻下泻水流对下游海漫段的冲刷，消能效果更佳。

表2 不同试验工况急流段长度 单位：cm

2.2 回流区长度

对多孔水闸而言，在少数孔小开度运行工况下，下泻水流的能量相对比较集中，中间部位的水流流速明显偏大[9]。在这种情况下，水闸消能设施部位的主流区和两侧水体之间存在明显的速度差，因此会产生十分明显的紊动剪切效应，最终使两侧的静水区演变为回流区，而回流区的水流又会对中间的主流产生明显的挤压作用，阻碍其向两侧横向扩散，进而进一步恶化水流流态。由此可见，回流区长度也是评价消能设施消能效果的重要指标。试验过程中对不同工况下的回流区长度进行测量，根据测量数据，绘制出如图2所示的回流区长度变化曲线。由图2可知，虽然不同工况下均有明显的回流区存在，但是不同消力池结构设计方案对回流区的长度仍旧存在比较明显的影响。具体来看，在相同的闸孔开启方式下，三道坎消力池的回流区长度明显偏小，究其原因，多道消力坎的存在能够实现对回流的有效堵截，有利于水流向两侧扩散。因此，三道坎方案可以有效提升消力池的消能效果。

图2 回流区长度变化曲线

2.3 断面流速

断面流速也是衡量消能效果的重要指标。研究中对工况11和工况12下的消力池流速进行测量，从测量结果中提取3个典型断面的表层和底层流速，结果见表3。由表3可知，在0+15断面，工况11和工况12的表层和底层最大流速值相差不大，而在0+30断面和0+45断面部位，采用三道坎消力池工况的表层和底层最大流速值明显偏小。由此可见，采用该消力池设计方案，有助于控制和调整消力池内的表层和底层流速，这对于减小水流对池底和下游海漫段的冲刷十分有利。

表3 断面流速计算结果 单位：m/s

3 结语

此次研究以具体工程为背景，探讨了水闸下游三道坎消力池的消能效果。结果显示，与传统的挖深式消力池相比，三道坎消力池设计方案的消能效果十分明显，具有显著的工程应用价值，建议在相关类似工程中设计使用。另一方面，此次研究仅就三道坎消力池和传统挖深消力池的消能效果进行对比研究，验证了三道坎消力池的工程应用价值。当然，消力坎本身的尺寸以及设置位置也会对消力池的消能效果产生显著影响，在后续研究中需要在上述两方面进行深入研究分析，获得消力坎的最佳尺寸和布置位置，以便为工程应用提供更有效的支持。