某拦河工程泄洪闸设计方案对比分析

◎ 马国文 新疆水利水电勘测设计研究院

1.工程概况

某输水工程位于新疆乌鲁木齐市以东，为Ⅰ等大（1）型工程，设计引水流量达到58m3/s，设计洪峰流量2250m3/s，洪水标准按照50年一遇设计。结合工程实际地形、地质条件，拦河闸工程总体采用“正面泄洪、侧面引水”布置形式。

2.泄洪闸两种设计方案介绍

本文所述拦河工程项目中泄洪闸的设计参照其他工程经验，共设计出两个方案，其具体参数见下表1所示。由此可知：方案二相对于方案一，泄洪闸工程量增大明显，在此对比分析两个方案在重要指标上的不同。

3.两种设计方案主要指标对比分析

3.1 两方案泄流能力对比分析

泄流能力是泄洪闸最核心的指标之一，泄流能力不足可能会给整个枢纽工程带来安全隐患，尤其是夏季洪水爆发期。计算泄洪闸泄流能力Q，按照闸门全开计算，此时可将其看作宽顶堰，计算公式见（3-1）。

式中：m—综合流量系数；

n—闸门个数；

b—单个闸门宽度，m；

H—过水高度，m。

表1 泄洪闸两种设计方案参数对比分析

表2 上游水位与泄流量、综合流量系数对比表

其中m值越大，说明泄洪闸泄洪能力越强，在此分别按照上游水位四种不同工况来计算两种方案的泄流量和m值，具体结果见表3所示。

由表2可知：①随着上游水位逐渐增加，两种方案的泄洪量、流量系数m也在逐渐增大；②在相同水位下，两种方案的流量系数m差别很小，泄洪量方案二略大于方案一；③从水位-流量关系曲线可知随着水位增大，两方案的泄洪量差距越来越大，表明方案二更有利于整个枢纽的安全稳定，不过方案一在50年一遇洪水标准下也是完全满足安全要求的。

3.2 两方案水流流态对比分析

本项目采用“数值模拟（Ansys CFD）+试验模型”方法来测定两种方案下的水流流态，共设置了9处测点，上游3个、闸门处3个、下游3个。限于篇幅，在此只对工况一、工况四的水流流态进行分析。

（1）工况一（上游水位698.945m）水流流态对比。当上游水位为698.945m时（上游水头1.74m），生态闸和引水闸均处于关闭状态，溢流堰也不过流，泄洪闸全部打开进行泄洪。

两方案各测点数据见表3所示，由此可知：①两方案泄洪闸下游的水流均处于较平稳状态，无较大波动；②两方案的区别在于6#、7#、8#三处探测点，其中方案一在6#测点处有一个较明显水跃，而方案二水跃点推迟到了7#点处，位于消力池中部位置。这样更有利于保护闸门系统不受水流流态影响；③同一个测点处，方案二相对于方案一流速一般较小，尤其是6#、7#点明显，可知方案二的消力效果更好。

（2）工况四（上游水位701.901m）水流流态对比。当上游水位为701.901m时（上游水头4.71m），生态闸和引水闸均处于关闭状态，溢流堰也不过流，泄洪闸全部打开进行泄洪。

两方案各测点数据分别见表4所示，由此可知：①两方案均出现水流波动问题，其中方案一出现在消力池尾部，方案二出现在消力池中部；②前4处测点，方案一波动相对于方案二更大，不利于泄洪闸稳定；③总体来看，两方案的最大区别点依然是5#、6#、7#三处测点，方案二在这三点处水深、速度都较大，说明把消力工作大部分都交给了下游消力池，而方案一在未到达消力池时便形成较多絮流，虽然也可消能，但对底板冲蚀较严重。

3.3 两方案泄洪闸水跃消能率对比分析

利用水跃来消除水能，降低对下游设施的冲击，也是水力消能的重要组成部分。为了简便计算，本项目把泄洪闸全断面水流看作均质。在此引入消能率λ来对两方案跃水消能效果，计算公式见（3-2）。

式中：E1—上游1-1断面总能量（统一换算成长度单位），m；

表3 工况一9个探测点所得数据结果对比

表4 工况四9个探测点所得数据结果对比

表5 四种不同工况下两方案水跃消能参数

E2—下游2-2断面总能量，m；

P—上、下游底面高差，m；

H1、H2—上、下游水面高差，m；

a1、a2—上、下游水流断面面积，m；

v1、v2—上、下游水流速度，m/s。

本项目泄洪闸在四种不同工况下，两方案水跃消能参数见下表5所示。由表6数据可知：①随着上游水位增加，两方案水跃消能系数λ均在逐渐增大，表明消能效率不断提高；②在不同工况下，方案二的水跃消能系数始终大于方案一，表明方案二更有优势。

4.结语

通过对比两个泄洪闸设计方案在泄洪能力、水流流态、水跃消能等方面的结果，发现方案二的各项参数表现均好于方案一，不过方案一也能够满足设计要求，在此建议在成本预算允许的前提下，本项目泄洪闸工程采用方案二设计。此外，由于主要依据为理论公式和模型试验，与实际情况可能会存在一定差异，在实际施工时还需要考虑实际地形、地质条件，兼顾泄洪闸设计的科学性和经济性。