某节制闸水力学模型试验研究

邓水明

（中水珠江规划勘测设计有限公司 广东广州 510610）

1 工程概况

某新建节制闸位于老闸下游约50m处，按排洪50年一遇设计，100年一遇校核，设计校核排洪流量1000m3/s，建成后将全面提升中运河段的防洪、排涝、灌溉、发电等综合功能。新建节制闸共7孔，单孔净宽10m，采用新型圆角梯形堰，堰顶高程11.5m，上游堰高3.0m，采用弧形闸门进行闸孔的泄流控制。

2 断面物理模型试验

2.1 模型设计

2.1.1 模型相似准则及设计制作

模型试验按试验规程[1]中的相关规定执行。模型按重力相似准则设计[2]，同时兼顾阻力相似，几何正态。根据试验要求，采用模型长度比尺λL=25，相应：

流速比尺：λV=250.5=5；流量比尺：λQ=252.5=3125；糙率比尺：λn=251/6=1.71。

模型包括供水系统、量水堰、断面模型和尾水系统，全长约20m。断面模型选取2孔闸宽进行模拟，上游模拟至闸前约130m处，下游模拟至闸下约150m处。建筑物模型全部依照设计图纸按比例用有机玻璃板精制。有机玻璃板糙率为0.0075～0.008，相当于原型混凝土糙率0.0132左右。河道用水泥砂浆抹面，糙率为0.012左右，相当于原型河道糙率0.020左右。模型水槽平面尺寸控制精度±2mm，建筑物尺寸控制精度±0.3mm，安装高程误差小于±0.3mm。

2.1.2 测量仪器

模型试验由循环式供水系统供水。循环式供水系统由蓄水库、水泵房、平水塔、供水管及回水槽等组成。模型下游水位采用插板式尾门进行控制。

（1）流量测量。

模型进水侧流量采用电磁流量计作为一次仪表，由计算机进行控制与采集，出水侧采用标准矩形薄壁堰对流量进行校核，以提高流量测量的可靠性和精度，堰顶与测针零点误差小于0.2mm。

（2）水位、水面线测量。

库水位和下游河床水位均采用测针筒引出后利用测针进行量测，测针量测精度为0.1mm。水面线采用钢尺进行直接测量。

（3）流速流态测量。

泄水建筑物等泄槽及洞身内流速通常比较大，采用毕托管进行测量。下游河道流速在流速方向比较确定的区域采用光电旋桨式流速仪测量，并由计算机进行多点同步采集，旋桨式流速仪起动流速为0.025m/s。局部流速采用直读式旋桨流速仪进行测读。

水流流态采用直接量测、数码摄像、照相相结合的方法记录和分析。

2.2 节制闸泄流能力试验

2.2.1 闸门全开运行泄流能力

当闸门全开运行时，过闸水流为堰流，下泄流量随上下游水位变化，试验中分别测得不同上下游水位下的过闸流量，并按式（1）计算：

式中：m-考虑行近流速水头、下游淹没和侧收缩影响的综合流量系数；H-上游堰顶（堰顶高程11.5m）以上水头（m）；B-2闸孔净宽（2×4.0=8.0m）；Q-过闸流量（m3/s）。

整理后的试验结果表明，综合流量系数与相对淹没度hs/H（hs为下游堰顶以上水深）具有较好的相关关系。

节制闸门全开运行时综合流量系数与相对淹没度的关系虽然总体规律较好，但与传统水闸堰流相比试验点较为离散，根据试验流态的观察分析认为，堰流情况下，闸上水位点位于老闸底板和新闸底板之间，上游水位点水位受老闸的影响水面波动较大，流量系数的精度受到一定程度影响，而且难以准确得到自由堰流时流量系数。

2.2.2 闸门局部开启泄流能力

闸门局部开启运行视下游水位对闸孔出流的影响可分为闸孔自由出流和淹没出流两种状态。

自由孔流流量按式（2）进行计算[3]：

式中：μ-自由孔流流量系数；B-2闸孔净宽（2×4.0=8.0m）；e-闸门开启高度（m）；H-堰顶以上水头（m），试验数据表明，μ与e/H有良好的相关关系，为了使用方便，拟合成以下公式：

式中：Cs-淹没孔流流量系数，其它符合同前。试验结果表明，Cs与hs/e有良好的相关关系见图1。利用回归分析可以得到：

图1 淹没孔流流量系数与关系曲线

2.3 节制闸上下游水流流态

节制闸上下游水流流态主要受边界、上下游水位以及闸门开启方式的影响，理论上只有完整水闸的水力学模型试验才能预演过闸的水流流动结构，得到与原型一致的水流流态。断面模型的水力学模型试验可以了解过闸水流的二元流动。

2.3.1 特征水位节制闸上下游水流流态

特征水位工况（校核、设计）下泄1000m3/s流量时由于水闸上下游水位差较小，水闸的出流属于淹没孔口出流状态。试验观察到，闸前来流较为平稳，水面波动较小。出闸水流波动也不大。

2.3.2 堰流出流节制闸下游水流流态

自由堰流出流时，闸下消力池能形成完整的水跃，水流消能充分，淹没堰流时，闸下只能产生波状水跃，消能效果减弱。

2.3.3 自由孔流闸下水流流态

自由孔流闸下的出流流态与自由堰流相似，能在消力池内形成完整的水跃，消能充分。

3 节制闸立面二维水流数值模拟

为进一步研究节制闸过流时水流流场结构，为节制闸运行和调度提供依据，进行节制闸立面二维水流数值模拟研究，模型的建立。通过典型各种计算工况下节制闸上下游水流流速分布、流速等值线、水面线等数据分析，进一步印证试验结果与实际相吻合。

4 结语

本文基于水槽断面模型观测与分析了新型圆角梯形堰在各种出流（堰流、孔流）方式下的泄流能力规律；基于立面二维水流数学模型，运用Flow-3D软件模拟了节制闸不同泄流方式闸下水流的流动规律；得出的试验结果和数值模拟结果可为节制闸的运行管理及优化调度提供科学依据。