泄水闸的水力学模型试验探讨

王常红 王广禄

摘 要：枢纽的下泄水流特性及其对下游的消能防冲是一个普遍的水力学问题，目前主要通过断面模型试验进行模拟分析。通过对断面模型的设计、制作、研究手段及不同闸门型式的总结、对比、分析，提出了此类断面模型要解决的关键技术和目标，对类似断面模型试验的开展具有借鉴和指导作用。

关键词：闸门型式;水流特性;断面模型

中图分类号：TV61           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）10-0156-02

目前许多在建枢纽地处峡谷河段，枢纽布置受地形条件的限制，需要通过试验对其总体布置方案及泄流能力进行研究分析。不同型式的闸门其运行过程中的水流特性以及对下游的消能防冲是一个十分普遍的水力学问题，目前尚无成熟的理论方法解决这一问题，主要是通过水工断面试验进行模拟研究。

1泄水闸的闸门型式

水工闸门常用门型为平板闸门和弧形闸门。平板闸门是由平面直板、构架、吊具等组成，闸门在门槽内直升直降。平板闸门在很多水利枢纽工程中被作为主要的挡水、泄水结构，其结构简单，制造、安装、运输方便，投资小，管理、施工方便，且启闭设备简单，利于采用移动式启闭机。平板闸门缺点：①平板闸门在大开度局部开启时，存在闸门振动问题;②启闭机的维护管理复杂，需设置较高的闸墩或工作桥;③平板闸门依靠门槽支承，闸门凹槽对水流存在不利的影响。

弧形闸门是挡水面为圆柱体的部分弧形面的闸门。其支臂的支承铰位于圆心，启闭时闸门绕支承铰转动。弧形闸门由转动门体、埋设构件及启闭设备三部分组成。弧形闸门不设门槽，启闭力较小，水力学条件好，是目前水闸建设中采用较多的门型之一。它具有闸门启门力小、运行速度较快、操作灵活、运转安全、外形优美等优点。弧形闸门可避免平面闸门不利的因素，弧形闸门适宜大孔口溢流，有利于闸门的灵活调度运用[1]。

泄洪建筑物的选择一般结合坝址地形、地质条件和水文特征、库区淹没控制等条件，综合比较选择。对于低堰大尺寸泄流孔口，常采用平面闸门或弧形闸门挡泄水，但闸门型式对泄水建筑物的尺寸有较大的影响，进而影响到整个枢纽建筑物的布置。不同型式的闸门，其下游水流特性不尽相同，需要通过试验对各种工况进行模拟，综合比选经济合理安全的方案。

2断面试验的设计与制作

断面模型试验中，首先要选择合理的比尺。根据試验的目的，研究泄水闸各种工况条件下其下泄水流的水力学特性，所选几何比尺过小，模型水深、流速等水流参数指标误差就较大，无法达到试验目的[2]，而比尺过大，会出现模型的试验场地及造价等问题。一般需根据试验的要求，模型为正态模型，选用几何比尺一般在20～50之间。

为了保证单宽流量下泄时水流的相似性，消除边壁层流厚度对水槽中部流速的影响，提高试验成果精度，通常采用两半加一整（共计两孔）设计方式。模型试验在矩形玻璃水槽中进行，可以观察试验中的各种流态，按重力相似条件设计来确定模型各比尺。

量测仪器主要包括流量、流速、压力和水位量测仪器。水槽进口流量由调节阀配合电磁流量计控制进口流量，误差1%～3%;以点式三维流速仪测量垂向流速分布;闸室、消力池内及闸下河床的流速由日本二维流速仪进行测量。泄水闸上、下游及闸板上安装水位计，采用水位测针筒标定后进行量测，用于观测闸室及其上下游水面线。闸室内及下游消力池安装压力管用于观测泄水过程中的压力变化。

3断面试验的内容

以某工程为例，枢纽地处山区峡谷河段，河宽窄小，泄水闸泄洪能力往往无法满足安全下泄设计洪水要求，导致其上游的淹没损失比设计存在较大的差距，试验可以解决的是枢纽在河道狭窄、山高谷深地势条件下，泄水闸的泄洪能力及运行调度方式以及消能工的布置方案[3]。

首先进行设计方案下平板门及弧形门泄水闸泄流能力及消能工水工断面试验，对初步设计中提出的方案进行试验，量测泄水闸各泄流工况下堰面及消力池沿程压力和流速分布，量测不同开度、下游不同水位闸门泄流流态、确定不同泄流工况下的闸孔综合流量系数，并验证消能工平面布置、消力坎的消能效果并提出修改建议;针对设计方案存在的问题，开展方案优化试验研究，从堰型及消能结构等方面进行优化设计，最终使每孔泄水闸的泄水能力得到充分发挥，满足设计的要求;最后从水力条件和消能效果，进行方案比选，从不同角度对比平板门和弧形门的试验结果，提出合理的闸门型式、枢纽泄水闸泄洪运行调度方式及消能工布置方案，为依托工程设计提供技术支撑。

4断面试验的目标

通过断面模型试验和总结研究，研究泄水闸泄洪能力、下游消能工的优化布置及合理泄洪运行调度方式。确定闸门不同开度、不同下游水位时闸孔综合流量系数、淹没系数等，提出闸门开度、下游水位不同组合下下游单宽流量关系曲线;通过试验对影响消能工的水力特性及消能机理的因素进行研究，最终能有效降低对消能设施的损坏。

5结语

在大型枢纽工程建设中，泄水建筑物过流能力、闸门型式、体型优化及下游消能工的布设等方面在工程建设中都很重要，目前没有成熟的理论方法完全进行模拟，通常是借助断面物理模型试验进行模拟，对模型的精度要求高。实践证明，断面模型试验能够较好地模拟泄水闸的型式、水流特性及消能工的稳定性，为工程设计提供依据。

参考文献：

[1]虞松宾，龙益辉，周士虎等.广西郁江老口航运枢纽工程泄水闸坝门型设计方案选择[J].红水河，2011，30（5）：39-42.

[2]SL 155—2012，水工（ 常规） 模型试验规程[S].

[3]孟德臣，黎国森，邢顺敬，等.葫芦湾枢纽泄水闸泄流能力研究[J].水道港口，2010，31（ 4）：281-284.