低水头水闸下游流态及消力池长度计算分析

2021-04-27黄智敏陆汉柱陈卓英

广东水利水电 2021年4期

黄智敏,陆汉柱,付波,陈卓英

(1.广东省水利水电科学研究院，广东广州 510635;2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635)

1 概述

低水头水闸泄流的上、下游水位差较小，泄洪流量较大，其下游河道水位随泄洪流量变化而改变。因此，水闸出流的下游流态较复杂[1-4]，给水闸下游底流消能的计算和分析带来一定的困难。

低水头水闸泄流的闸门运行有两种方式：① 在闸上游正常蓄水位(或在某一特征洪水位)条件下，闸门局部开启控泄运行(简称闸门局部开启运行)，此运行工况的水闸上、下游水位差和出流弗氏数Fr1相对较大；② 闸门全开敞泄运行(简称闸门全开运行)时，水闸的上、下游水位差一般较小，泄洪流量较大，出流弗氏数Fr1相应较小。在这两种泄流运行工况下，受水闸泄洪流量Q大小的影响，闸下游河床水深ht相应产生变化[ht的变化可根据水闸消能设计的Zt～Q关系查出(注:Zt为闸址处下游河道水位)]，在同一泄洪流量Q的条件下，水闸出流的跃后水深h2与其下游河床水深ht的关系，会影响水闸下游的流态(如水跃形态、波状流等)和消力池长度计算结果等。

本文在分析低水头水闸闸门局部开启和闸门全开运行下游流态的基础上，并综合以往的有关研究成果，对水闸下游消力池长度的计算方法进行分析，供工程设计和运行参考。

2 水闸下游消力池长度计算公式

根据文献[5-6]，水闸下游消力池体形和水力参数示意见图1。

图1 水闸下游消力池体形和水力参数示意

闸下游收缩断面水深h1：

(1)

闸下游跃后(共轭)水深h2：

(2)

水跃长度Lj:

Lj=6.9(h2-h1)

(3)

消力池长度Lsj:

Lsj=Ls+βLj

(4)

由公式(3)分析可知，该式为自由水跃长度的计算公式(公式适用范围为Fr1=5.5～9.0)。由于受水闸下游河道水位变化和边界条件等影响，闸下游水跃形态和流态较复杂(如自由水跃、淹没水跃、波状明渠流等)，因此，只有正确地分析水闸下游流态之后，才能较准确地计算其下游消力池长度。

3 闸门局部开启出流流态分析

3.1 正常蓄水位的闸门局部开启出流

水闸上游正常蓄水位是综合考虑水闸发电、灌溉、供水、航运、上游淹没损失等确定的，闸上游正常蓄水位确定之后，在满足发电运行等条件下，闸上游来流多余的水量由水闸闸门局部开启排向闸下游河道。通常水闸上游正常蓄水位闸门局部开启泄流的上、下游水位差和出流弗氏数Fr1相对较大，闸下游易形成较完整的水跃。

在闸门局部开启泄流条件下，根据闸下游收缩断面水深h1的共轭水深h2与下游河床水深ht的关系，可分为自由出流和淹没出流[7]：当h2≥ht时，闸孔为自由出流；h2

图2 水闸闸门局部开启运行下游流态示意

参考文献[7-8]，对闸门局部开启泄流的下游流态进行分析：

1)h2>ht时，闸下游产生远驱式水跃，闸下游有一段急流段，对闸下游消能防冲极为不利。h2=ht时，水跃跃前发生在闸下游水流收缩断面处，称为临界式水跃，这种水跃是不稳定的。此2种水跃称为自由水跃。

2)h2

3.2 特征洪水位的闸门局部开启出流

在某一特征洪水位(如设计洪水频率、校核洪水频率等)条件下，为了确保枢纽工程和其下游河道行洪的安全，需采用保持闸上游为特定的洪水位、闸门局部开启控泄某一限制流量的运行方式。此运行工况的水闸上、下游水位差仍较大，闸下游产生稳定的水跃，是水闸下游消力池长度计算和选取的决定性工况。

如韩江高陂水利枢纽泄水闸在设计洪水频率(P=1%)和校核洪水频率(P=0.1%)流量泄洪时，为了确保枢纽工程安全和下游河道行洪安全，枢纽按不大于相应天然最大洪峰流量控泄，在控制闸上游水位Z=47.44 m条件下，泄水闸仍采用闸门局部开启运行方式控泄。因此，该泄水闸下游消力池长度按闸孔控泄情况下的最大泄洪流量确定[9]。

4 闸门全开泄流出流流态分析

闸门全开泄流运行时，低水头水闸的过闸水位差一般较小。文献[5]指出，计算闸孔总净宽时，平原区水闸的过闸水位差可采用0.1～0.3 m，山区、丘陵区水闸的过闸水位差可适当加大。因此，为了减小水闸上游的壅水和淹没损失，应尽量增大水闸闸孔的总净宽。

在闸门全开运行泄流条件下，根据以闸室堰顶为基准的下游河床水深hs与闸室堰顶上游水深H的关系hs/H，可分为自由出流和淹没出流[10]：当hs/H<0.8时，水闸出流为自由出流；hs/H≥0.8时，水闸出流为淹没出流 (见图1)。

文献[11]通过大量的水力模型试验研究，在水闸闸门全开、宣泄最大洪水流量Qm运行工况下，得出以下的成果：① 若hs/H<0.8，此时水闸出流为自由出流，闸下游消力池池长随泄洪流量Q增大而增加，应采用Qm计算消力池长度，并与正常蓄水位、闸门局部开启控泄运行工况的消力池长度进行比较后确定；② 若hs/H≥0.8，水闸出流为淹没出流，闸下游的跃长较短或无水跃(波状明渠流)，此工况应采用水闸上游正常蓄水位、闸门局部开启最大开度em的泄量计算和选取消力池长度。

5 水闸下消力池长度计算分析

通常根据水闸泄流水力参数和河床条件等，一般可先计算和确定下游消力池末端尾坎顶高程、池深等，再计算和选取消力池长度[11]。消力池末端尾坎顶高程和池深的计算和确定的方法为：① 水闸下游应产生有一定淹没程度的水跃；② 在各级洪水流量泄流运行时，池末端尾坎断面出流流速小于下游海漫段材料的允许抗冲流速。

由公式(3)分析可知，闸下游的水跃长度Lj与跃后水深h2和跃前水深h1之差(h2-h1)有关，而按理论计算的(h2-h1) 随水闸泄洪流量Q增加而增大，因此，若不加分析水闸的闸门运行情况和闸下游流态，盲目地采用水闸泄洪最大流量Qm计算闸下游消力池池长，就会造成池长明显偏大和工程投资的浪费。

综合有关的研究成果[11]和本文研究成果，在闸门局部开启运行和闸门全开运行的两种运行工况下，低水头水闸下游消力池长度计算和选取的方法如下。

1)在各级洪水流量或水闸最大泄洪流量Qm、闸门为局部开启控泄运行的条件下，应采用Qm计算和选取水闸下游消力池长度。

2)在水闸最大泄洪流量Qm、闸门为全开运行时，若hs/H<0.8(水闸为自由出流)，应采用Qm计算水闸下游消力池长度，并与正常蓄水位、闸门局部开启控泄运行工况的消力池长度进行比较后确定。

3)在水闸最大泄洪流量Qm、闸门为全开运行时，若hs/H≥0.8(水闸为淹没出流)，闸下游跃长较短或无水跃(波状明渠流)，应采用水闸上游正常蓄水位、闸门局部开启最大开度em的泄量计算和选取消力池长度。根据文献[11]的成果，本条款计算方法应注意：① 计算公式(4) 的水跃长度校正系数β取1.0；② 计算中，对应闸门开度e运行的下游河道水位Z为低一级闸门开度泄量对应的下游河道水位；③ 为了便于正常蓄水位、闸门局部开启运行的下游消力池长度的计算和选取，可根据各级闸门开度e分别计算出下游消力池长度(各级开度e运行的Z为低一级闸门开度泄量对应的下游河道水位，且β取1.0)，选取计算的最大值为消力池长度。

如西溪水闸重建工程项目的拦河水闸共设14 孔，单孔闸净宽为10 m，总净宽为140 m。闸室堰顶高程为-5.20 m，堰顶未端以1:4坡度与下游消力池相接；设计方案的消力池水平段池长为19.2 m、池底高程为-5.70 m，池末尾坎顶高程为-5.20 m；尾坎末端接1:40 坡度的斜坡海漫(见图3)。拦河水闸正常蓄水位为0.35 m，设计洪水频率泄流量为2 171 m3/s(P=3.33%)，校核洪水频率泄流量为3 232 m3/s(P=1%)。

水力模型试验的成果为[12]：① 在水闸正常蓄水位(Z=0.35 m)、闸门局部开启运行条件下，水闸下游收缩断面弗氏数Fr1约为8.2～3.9，水闸下游为稳定的水跃，测试的各级闸门开度e的闸下游水跃跃尾桩号见表1；② 在闸门全开的各级洪水流量(Q>892 m3/s)泄流运行时，闸下游无水跃、呈波状明渠流。

根据水力模型试验研究成果，西溪水闸重建工程推荐方案的下游消力池池长维持设计方案的池长不变，试验研究成果得到了工程设计的采用。