低水头水闸不护底消力池消能防冲研究

蒙文宾，杨 磊，曾 丹，李 昊(水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

底流消能设计原理是采取一定的工程措施促使下泄水流在限定范围内发生水跃，通过水流的内部摩擦、掺气及碰撞消耗能量，通过水跃后的水流以缓流状态进入下游，从而达到对下游河床和两岸岸坡的保护，进而确保整个水利工程的安全。但低水头水闸下泄水流普遍存在弗劳德数较小、消能率低、水跃不稳定及对下游冲刷严重等问题，故消能防冲成为该类水闸设计的重要环节，不可避免的增加了混凝土工程量和成本投入。对于低水头水闸，多采用护底消力池来消杀下泄水流能量，并常在底流消力池中添加辅助消能工以求达到良好的消能效果。当前，国内外对护底消力池研究较为成熟，常用的底流消力池有ISI 型、USBR-Ⅳ型、SAF 型和T 型等若干种形式，其中在国内应用最广泛的T型墩消力池具有池长短、消能效率高、池后水深低、消能稳定、经济效益显著以及适应较大尾水变幅等优点[1,2]。王海军等研究结果表明跌坎型底流消能工能有效解决高水头、大单宽流量消力池水力学指标过高的问题[3]。王均星在底流消能研究中发现趾墩、消力墩、尾槛都对缩减消力池的长度、消减高速水流能量起到很大作用[4]。张春财等研究认为采用宽尾墩和消力池联合消能，能较好地解决消力池内水流流态不稳定的现象[5]。乌东德水电站消能区岩石坚硬、抗冲刷能力强，长江设计公司充分利用坝下水垫塘的优越条件，首次提出“护岸不护底”的消能方案[6]，但对于低水头水闸基岩岩性较好，直接利用开挖后的基岩作为消力池底板而不进行护底的研究很少见。

邓军等研究表明，将岩块搬到下游造成冲坑的决定因素是水流速度。在实际工程中，一般用水流流速与基岩抗冲流速来判断基岩是否发生冲刷，并给出了考虑基岩破坏后不同岩块特性下的抗冲流速计算公式[7]。本文以幸福堰拦河闸除险加固设计为依托，充分考虑其优越的地质条件，以岩石抗冲流速理论和水力学计算以及数值模拟相互印证，从而判定采用消力池不护底消能的科学合理性。

1 工程概况及消力池设计

1.1 工程概况

幸福堰拦河水闸始建于1973年，位于咸宁市汀泗河流域中下游，地处咸安区汀泗桥镇西河村。水闸主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级。为彻底根除水闸的隐患，确保水闸以及堤防的行洪安全，更好地发挥工程的经济效益和社会效益，对幸福堰拦河水闸工程进行了全面除险加固设计。加固后水闸从右岸到左岸分别为新建1孔灌溉闸、新建实用堰、新建3孔拦河闸、原实用堰；枢纽工程顺水流向布置：铺盖、拦河闸+灌溉闸+实用堰、消力池斜坡段、消力池水平段及海漫。新建灌溉闸底高程为22.30 m，拦河闸底高程20.60 m，闸顶高程26.00 m，实用堰堰顶高程23.40 m，拦河闸段两岸导墙高程为26.00 m，消力池段两岸导墙为25.15 m；拦河闸正常挡水位为上游23.40 m，下游水位19.80 m；设计洪水标准为20 a一遇，相应设计入库洪峰流量为582.00 m3/s，上游水位为25.23 m，下游水位为24.80 m；校核洪水标准为50 a一遇，相应设计入库洪峰流量为780.00 m3/s，上游水位为25.50 m，下游水位为25.45 m[8]。因设计水头4.63 m<30.00 m，故此水闸为低水头水闸[9]。幸福堰拦河水闸平面布置图如图1所示。

图1 水闸平面布置图(高程：m，尺寸：mm)Fig.1 The plane arrangement chart of sluice(Elevation: m, Size:mm )

1.2 地形地质条件

本区域内以低山、丘陵地貌形态为主，河谷多为“U”型谷。根据地质勘察报告：河道表层分布冲积砂卵石，厚度为0.15～0.93 m，其下为二叠系灰岩，不存在低临谷分布。原实用堰段下游基岩面高程19.20 m，新建实用堰段下游基岩面高程19.40 m，拦河闸段下游基岩面高程18.50 m，海漫基岩面高程19.40 m。原灌溉闸、拦河闸以及新建水闸基础均直接坐落于弱风化灰岩上。河床基岩较为坚硬，整体结构好，其抗冲流速为11.00～13.00 m/s，可界定为难冲基岩，承载力为800.00 kPa。

1.3 消力池设计及布置

根据闸址地质情况、水力条件、闸门调控运行方式等因素综合分析，水闸消能布置形式采用下挖式消力池，与闸底板通过坡度为1∶4的斜坡面衔接。由于闸址河床灰岩坚硬，整体结构好，抗冲能力强，因此将消力池段直接开挖至基岩面，作为消力池底板。

通过小流量初排工况进行消力池水力计算，即上游正常挡水位23.40 m，下游最低水位19.40 m时开闸排水，计算开启1孔、2孔、3孔，闸门依次每级提升高度0.30、0.60、0.90、…、2.10 m，分别计算排水过程(闸孔出流或堰流)及相应下游共轭水深，判断下游是否产生淹没水跃，寻找最不利工况，确定消力池尺寸[10]。

水闸消能防冲计算成果见表1。

由消能防冲计算可知：最大消力池池深0.82 m，最大消力池底板长度12.31 m。由于拦河闸段下游基岩面顶高程为18.50 m，左右两侧溢流堰段下游基岩面高程分别为19.20和19.40 m，故新建消力池底板高程在各建筑物后并不相同，呈与基岩面高程相适应的阶梯状。其开挖深度在拦河闸段为0.93 m、左右两侧溢流堰段下游分别为0.20和0.60 m。拦河闸段消力池水平段长度13.00 m，斜坡段水平投影长度8.40 m，消力池总长21.40 m，池深0.90 m，以1∶9.5的坡度与左右两侧消力池底板衔接。幸福堰拦河水闸消力池平面布置图详见图1。

表1 水闸消能防冲计算成果Tab.1 The calculation results of the sluice'sdissipation and anti-scouring

2 消力池消能防冲数值模拟

虽然由水力学计算以及地质条件确定出幸福堰水闸采用不护底消力池形式，并对其具体尺寸进行了设计，但水闸下泄水流水力特性较为复杂，为了验证水力计算的准确性以及进一步了解不同工况下的消力池水力特性，选用Flow-3D对消力池消能防冲进行了数值模拟计算。

从水力计算中选择了几组典型工况进行数值模拟，具体工况和参数详见表2。

表2 数值模拟工况Tab.2 Condition of numerical simulation

2.1 模型建立及网格划分

Flow-3D能导入诸多CAD软件建立的几何模型stl文件，在catia中建立几何模型并导入Flow-3D中进行网格划分，几何模型及网格划分布置见图2，网格尺寸为x=y=z=0.22 m，总网格数约390.00万个。

图2 几何模型示意图及网格划分Fig.2 The schematic diagram of geometric model and mesh generation

2.2 初始边界条件及数值计算方法设定

3种工况下初始条件压力均采用静水压力。上下游均为压力边界，流体体积分数为1，水位分别为23.40和19.80 m；底部及左右两侧均为壁面边界；顶部为压力边界，流体体积分数为0。紊流模型采用RNGk-ε模型，压力求解器选用广义极小残差算法(GMRES)，基于压力隐式求解法(Implicit)；计算结果数据输出间隔1 s，输出数据有流速、压力、水的体积分数、自由液面高程、掺气量等[11]。

3 计算结果分析

3.1 流态及水面线

为验证水力计算与数值模拟结果的可靠性，以上游闸墩水流入口处为起点，将主流方向水深计算结果和数值模拟结果进行了对比，如表3所示，并绘制了三种工况下主流的水面线，如图3所示。

表3 主流方向水深计算结果Tab.3 Calculation results of water depth in main flow direction

图3 主流水面线Fig.3 The main flow's water surface profile

通过对比分析，两者的计算结果比较吻合：下泄水流与消力池尾坎碰撞后在消力池内发生水跃和扩散，消力池内水跃充分，靠近尾坎主流两侧产生的回流(最大流速2.50 m/s)扩散到两岸导墙后再次折返流向下游；工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ发生水跃的起点位置距离消力池入口分别为6.40、4.40、0.70 m，水面线雍高最高为2.30 m(工况Ⅰ)，最低为1.40 m(工况Ⅲ)。消力池出口水流迅速跌落进入海漫，海漫段水流分布均匀，流态稳定，没有太大波动向下游传播。以工况Ⅲ为例，消力池底部流态较稳定，回流和湍动主要发生在中部和表面，水流在流出消力池尾部后的湍动能趋近于零，说明具有较高消能率，主流湍动能见图4。

图4 主流湍动能(单位：kg·m2/s2)Fig.4 The main flow's turbulent kinetic energy

3.2 流速大小及消能效果

以上游闸墩水流入口处为起点，将主流方向流速计算结果和数值模拟结果进行了对比，如表4所示，并绘制了三种工况下主流的平均流速，如图5所示。

表4 主流方向水流平均流速计算结果 m/sTab.4 Calculation results of mean velocity in main flow direction

图5 主流流速Fig.5 The main flow's velocity

通过对比分析，两者的流速大小比较吻合：水流从闸墩尾部到水跃发生前，主流流速逐渐增大。其中，在闸墩尾部流速最小为5.30～5.53 m/s(工况Ⅰ)，最大为7.20～8.10 m/s(工况Ⅲ)；消力池入口处流速最大为8.60～9.02 m/s(工况Ⅱ)，在跃前水深h1处流速最大为8.81～9.34 m/s(工况Ⅰ)，在水跃发生段由于水流旋滚和相互碰撞消杀大部分能量促使流速急剧下降到2.41～2.44 m/s(工况Ⅰ)，水流从尾坎进入海漫由于水面跌落使得流速增大为2.50～4.00 m/s。各工况下消力池内主流最大流速为8.81～9.34 m/s(工况Ⅰ)小于基岩抗冲刷流速(11.00～3.00 m/s)。

不同工况下消力池消能效率对比如表5所示，消力池效能效果明显。

表5 消能效率对比Tab.5 The comparison of energy dissipation's efficiency

4 结 语

通过幸福堰拦河闸在不同工况下的水力计算和数值模拟结果可知，下泄水流在消力池内发生水跃和扩散，消力池内水跃充分。池内主流两侧虽有回流，但没有不良流态产生，水流进入海漫后流速较低，波动不大，消力池消能效果明显。消力池内最大流速未超过基岩抗冲流速，说明在地质条件优越的基岩上采用不护底消力池完全能满足消能防冲要求，同时也为类似低水头水闸消能工程提供了设计支撑与参考。由于本工程属中小型水闸，并未进行水工模型试验，若为大(1)型、大(2)型或中型水闸，则必须辅助水工模型试验分析论证。

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